CC BY
9АГРОЭКОЛОГИЯ
ВЛИЯНИЕ НОВЫХ КОМПЛЕКСНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ И НАКОПЛЕНИЕ
С<1,137Сз В УРОЖАЕ
А.Н. Ратников, д.с.-х.н., Д.Г. Свириденко, к.б.н., Н.Н Санжарова, чл.-корр. РАН, Т.Л. Жигарева, к.с.-х.н., Г.И. Попова, к.б.н., К.В. Петров, О.Ю. Баланова, ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии
Представлены результаты вегетационных опытов по влиянию минеральных удобрений и новых комплексных удобрений Супродита и Супродита М на величину урожая ярового ячменя в условиях техногенного загрязнения почвы и изменение биологической доступности Сё и 137Ся растениям. Показано, что применение Супродита и Супродита М в условиях техногенного загрязнения серой лесной среднесуглинистой почвы обеспечивает наибольшую урожайность ячменя. Установлено, что содержание Сё и 137Ся в зерне ячменя при внесении Супродита и Супродита М снижается в 2,9-6,8 раза.
Ключевые слова: загрязнение почв, урожайность, яровой ячмень, минеральные удобрения, Супродит, Су-продит М, 137 Св, кадмий, серая лесная почва.
Загрязнение почв сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами (ТМ), радионуклидами, пестицидами, токсичными органическими соединениями приводит к увеличению их содержания в продукции растениеводства [1, 2]. Агрохимические приемы по повышению плодородия почв способствуют снижению подвижности загрязнителей в почве и, как следствие, уменьшению их перехода из почвы в растения [3,5,8,9]. Сокращение объема поставок минеральных и известковых удобрений может быть причиной снижения урожайности и увеличения накопления ТМ и радионуклидов в урожае сельскохозяйственных культур. Один из путей решения проблемы реабилитации загрязненных угодий - использование местных месторождений минерального сырья в качестве агромелиорантов и для производства новых видов комплексных удобрений. Разработка новых видов удобрений с использованием местного минерального сырья для реабилитации техногенно загрязненных угодий была начата во ВНИИСХРАЭ в 2005 г.
На основе трепела Зикеевского месторождения Калужской области разработано и произведено по специальной технологии (Патент на изобретение № 2336257) органоминеральное удобрение Супродит [11]. В 2008 г. было произведено новое органоминеральное удобрение Супродит М - сорбент-удобрение, состоящее из двух компонент: 1 - минеральная компонента - новый высокоселективный синтетический сорбент на основе трепела с закрепленными в кристаллической решетке эле-
ментами минерального питания растений - фосфором и калием, и обогащенная М^, В и Мо; 2 - органическая компонента на основе торфа, содержащая азот и биологически активное вещество - гумат калия (Патент на изобретение № 2426711).
Органоминеральные комплексные удобрения пролонгированного действия Супродит и Супродит М прошли успешные производственные испытания в 2006-2012 гг. в хозяйствах различных форм собственности Калужской области, на разных типах почв, на зерновых культурах (ячмень, овес), картофеле, рапсе и многолетних сеяных травах. Имеются акты производственных испытаний Супродита на ячмене, овсе и картофеле в 2009-2011 гг. в Калужском НИИСХ и в РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, в КФХ «Петухов» Бабы-нинского района, на серых лесных и дерново-подзолистых почвах, в том числе в условиях загрязнения почв осадками сточных вод, содержащими ТМ (Сс1, Ъ\\. N1, РЬ). Было изучено влияние нового комплексного удобрения Супродит на продуктивность и переход 137Св в луговую растительность при коренном улучшении лугов на дерново-подзолистой и торфяной почвах (Брянская область, плотность загрязнения почвы 137 Се 520±89 кБк/м2; радиоактивно загрязненные районы Калужской области, плотность загрязнения почвы 137 Се 120±15 кБк/м2).
Получены акты производственных испытаний Супродита М на зерновых культурах и картофеле на серых лесных и дерново-подзолистых почвах в 2010-2012 гг. в Калужском НИИСХ, в РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, в КФХ «Петухов» Бабынинского района, в ОАО «Родина» Малоярославецкого района Калужской области.
Минералогический состав комплексного сорбента (%): содержание цеолита - 40, монтмориллонита - 10, мусковита - 9, кварца 8Ю2 - 2, аморфных алюмосиликатов - 39.
Элементный состав комплексного удобрения Супродит М (%): N-11, Р205-12, К20-18, 8Ю2-11,4, А1203-1,96, Са0-1,60, Мп0-0,12, Ре203-0,8, М^-0,92, В-0,14, Мо-0,18, органическое вещество - 30-40.
При разработке удобрений принимали во внимание, что содержание питательных элементов должно соответствовать принятым дозам внесения промышленных
минеральных удобрений в зональных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур. Для повышения эффективности комплексного органоминераль-ного удобрения пролонгированного действия Супродит M в него были внесены макро- и микроэлементы, необходимые при возделывании картофеля и кукурузы, как требуется по зональным технологиям.
Методика. Исследования проводили в серии вегетационных опытов в 2006-2012 гг. на серой лесной сред-несуглинистой почве по общепринятой методике в сосудах, вмещающих 5 кг почвы. Эффективность комплексных удобрений Супродита, Супродита M и минеральных удобрений (NH4NO3, КН2Р04, КС1) изучали на почве, загрязненной Cd и 137Cs. Агрохимические показатели серой лесной почвы до закладки опыта: pHKci -5,9, содержание гумуса - 2,88%, гидролитическая кислотность - 0,87 мг-экв/100 г почвы, содержание подвижного фосфора и обменного калия 214 и 135 мг/кг почвы соответственно. Cd вносили в почву в виде сульфата в концентрации 10 и 50 мг/кг почвы. Радионуклид вносили в виде 137CsCl в количестве 6,7-104 Бк/кг почвы. Питательные элементы применяли из расчета 0,75 г N, 0,8 Р205, 1,2 г К20 на сосуд, согласно соотношению этих элементов в Супродите М. Влажность почвы в сосудах в течение вегетации растений поддерживали на уровне 60% от полной капиллярной влагоемкости. По-вторность опытов 4-кратная. Культура - яровой ячмень, сорт Hyp.
Агрохимические показатели почвы определяли по следующим методикам: содержание органического вещества по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91); рН солевой вытяжки - потенциомет-рическим методом (ГОСТ 2642385), гидролитическую кислотность - по Каппену в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-91), определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-91), обменных кальция и магния - комплексометрическим методом (ГОСТ 26487-85). Валовое содержание в почве и концентрацию Cd в растениях определяли по методике ЦИНАО [7]. Для оценки подвижности 137Cs в почве применяли метод последовательных вытяжек: 1н. CH3COONH4 рН 7,0 (обменная форма); 1н. НС1 (подвижная форма); Зн. НС1 (проч-носвязанная форма) при соотношении Т : Ж=1:10 [10]. Содержание 137Cs в почве, растительном материале и в растворах измеряли методом полупроводниковой гамма-спектрометрии с использованием детектора из сверхчистого германия (HPGe, ORTEC) и анализатора спектра IN 1200 (INTERTECHNIQUE). После уборки урожая отбирали образцы почвы для установления потенциальной активности дыхания и денитрификации. Показатели микробиологической активности почвы определяли по методике МГУ [12]. Результаты проведенных экспериментов обрабатывали с использованием пакета прикладных программ в составе Microsoft Excel 2007.
Результаты и их обсуждение. Внесение в почву Cd в концентрации 10 мг/кг привело к снижению урожая зерна ячменя от 10 до 50% в зависимости от агрофона по сравнению с почвой без токсиканта. Наибольшее отрицательное влияние Cd на рост, развитие и формирование продуктивности ячменя отмечено в варианте без удобрений, особенно при высоком уровне содержания (50 мг Cd/кг почвы): потери урожая зерна 65%.
Применение новых комплексных удобрений Супродита и Супродита М, обладающих сорбционными свойствами по отношению к токсиканту, ингибирует фитоток-сичность Cd. Урожайность ячменя при внесении Супродита в почву, содержащую С(1ю, снижается на 17%.
При внесении Супродита в почву с концентрацией Cd 50 мг/кг урожай зерна на 40% ниже, чем на незагрязненной почве (табл. 1). Максимальный положительный эффект по снижению отрицательного действия Cd на урожайность ячменя получен в вариантах с Су-продитом М. При внесении Супродита М в почву, загрязненную С(1ю, урожай зерна ячменя снизился на 10%, а в варианте с концентрацией Cd5o - на 30%. Использование Супродита М при одинаковом уровне загрязнения почвы Cd позволило снизить потери урожая зерна на 41-86% по сравнению с внесением в почву промышленных минеральных удобрений. Эффективность Супродита М в снижении фитотоксичности Cd при концентрации 10 мг/кг почвы на 24%, а при концентрации 50 мг/кг на 34% выше, чем Супродита. Продуктивность ярового ячменя на незагрязненной Cd почве при внесении промышленных минеральных удобрений на 11% выше, чем в варианте без удобрений. Применение Супродита способствовало увеличению урожайности ячменя на 27%. Максимальная прибавка урожая зерна получена при внесении Супродита М и превышала контроль на 45% (см. табл. 1).
1. Продуктивность ячменя и накопление С(1 в зерне на серой
Вариант опыта Масса, г/сосуд Содержание Вынос Cd с
зерно солома Cd в зерне, мг/кг зерном, г/сосуд, 10~3
Контроль(без удобрений) 10,5 15,2 0,008±0,001 0,084
^Д5Ро,1бКо;24 11,7 29,3 0,012±0,002 0,140
Супродит М 15,2 32,5 0,012±0,002 0,182
Супродит 13,3 28.8 0,014±0,003 0,186
Без удобрений + С4 10 мг/кг 5,2 13,9 1,77±0,15 9,19
почвы
N0.15P0.16K0.24 + » 9,7 27,4 1,06±0,11 10,25
Супродит М + » 13,7 28,7 0,38±0,09 5,16
Супродит + » 11,0 28,5 0,52±0,08 5,74
Без удобрений + С4 50 мг/кг 3,6 12,7 4,27±0,19 15,36
почвы
N0.15P0.16K0.24 + » 5,7 27,0 2,54±0,13 14,47
Супродит М + » 10,6 29,4 0,98±0,09 10,36
Супродит + » 7,9 26,9 1,48±0,11 11,72
НСР05 1,6 1,8
Благодаря высокой удельной поверхности минералов комплексных сорбентов в составе Супродита и Супродита М, загрязняющие вещества в почве (ТМ, радионуклиды) переводятся в менее подвижное состояние, усиливается их фиксация почвой, что приводит к ограничению перехода токсиканта из почвы в растения. Максимальное накопление Cd в зерне ячменя, выращенного на серой лесной среднесуглинистой почве, в вариантах без внесения удобрений: 1,77 мг/кг зерна при концентрации Cd 10 мг/кг почвы и 4,27 мг/кг зерна при концентрации Cd 50 мг/кг почвы. При внесении промышленных минеральных удобрений в почву с концентрацией Cd 10 мг/кг содержание токсиканта в зерне ячменя снижается в 1,7 раза (см. табл. 1). Такой же эффект получен на фоне ОТК при концентрации Cd 50 мг/кг почвы. Внесение Супродита и Супродита М в почву, загрязненную СЯю, способствует снижению на-
копления ТМ в зерне ячменя в 3,4-4,7 раза. Максимальный положительный эффект по ограничению поступления Сс1 из почвы в растения отмечается при использовании Супродита М. Накопление Сс1 в зерне ячменя на почве, загрязненной Сс15о, при внесении Супродита М в 4,4 раза ниже, чем в варианте без удобрений. Содержание Сс1 в урожае при внесении Супродита в почву с концентрацией 50 мг/кг снижается в 2,9 раза. Эффективность Супродита М по снижению перехода Сс1 из загрязненной почвы в растения при одинаковом уровне загрязнения в 2,6-2,8 раза выше, чем в варианте с промышленными минеральными удобрениями (см. табл. 1). Внесение минеральных удобрений при выращивании ячменя на серой лесной почве приводит к увеличению выноса Сс1 с зерном в 1,1 раза. Вынос Сс1 с урожаем зерна снижается при внесении Супродита и Супродита М в загрязненную Сс1ю почву в 1,6-1,8 раза, а на почве с концентрацией Сс150 - в 1,3-1,5 раза.
Загрязнение серой лесной почвы Сс1 негативно действует на интенсивность протекающих в ней микробиологических процессов, характеризующих уровень почвенного плодородия, таких как активность уровня дыхания почвы и почвенной денитрификации. Интенсивность дыхания почвы характеризует процессы минерализации органического вещества.
В фазе полной спелости ячменя потенциальная активность дыхания почвы, загрязненной Сс1ю, на фоне минеральных удобрений снижается на 10%, а при концентрации Сс1 50 мг/кг - на 37% по сравнению с незагрязненной почвой (табл. 2). Использование Супродита М на почве, загрязненной Сс1ю, вызывает снижение потенциальной активности дыхания на 22%. Скорость эмиссии СОг в почве с концентрацией Сс1ю при внесении Супродита М и промышленных минеральных удобрений практически одинакова. Уровень дыхания в почве при высокой концентрации Сс1 (50 мг/кг) в варианте с Супродитом М снижается на 30%. При внесении Супродита М в почву, загрязненную Сс150, потенциальная активность дыхания на 34% выше, чем при внесении минеральных удобрений.
2. Влияние Супродита и Супродита М на потенциальную активность дыхания и денитрификацию серой лесной среднесуглини-_стой почвы, загрязненной С(1_
Вариант опыта Активность, мг/кг почвы
дыхания, аС-С02, денитрификации, аМ-М20
^Д5Ро,1бКо,24 928,1 10,1
Супродит М 1109,0 11,1
^Д5Ро,1бКо,24 + Сс1ю 835,8 8,6
^Д5Ро,1бКо,24 + Сс^о 580,9 6,6
Супродит М + Сс1ю 867,7 11,2
Супродит М + Сс15о 778,3 10,0
НСР05 60,7 1,4
Применение промышленных минеральных удобрений на загрязненной Сс1ю почве вызывает снижение потенциальной активности денитрификации на 15%, а при концентрации Сс150 - на 35% по сравнению с почвой, где токсикант не вносили. Непроизводительные потери азота в вариантах с Супродитом М сокращаются при высокой концентрации Сс1 (50 мг/кг почвы) на 10%. Потенциальная активность денитрификации при одинаковом уровне загрязнения почвы Сс1 при внесении Супродита М на 30-52% выше, чем при использовании промышленных минеральных удобрений (см. табл. 2).
Внесение Супродита и Супродита М в почву на ра-
диоактивно загрязненной территории оказывает влияние на агрохимические показатели почвы (табл. 3) и приводит к увеличению емкости поглощения на 8-12%, и изменению форм нахождения 137Се в почве [11] .
3. Влияние комплексных удобрений на агрохимические показатели почвы, загрязненной ( Ч после уборки урожая ярового ячменя
Вариант опыта рНКс1 Гумус, % р2о5 | к2о Са | | Нг
мг/кг почвы мг-экв./ЮО г почвы
Почва без удобрений + 137С§ 5,8 2,8 192 113 11,4 1,07 0,93
Н)Д5Ро,1бКо,24 + 137с§ 5,7 2,8 227 144 11,2 1,09 1,07
Супродит М + 137С§ 5,8 2,8 248 155 12,5 1,45 0,97
Супродит + 137С§ 5,7 2,8 238 139 12,1 1,20 1,12
Содержание обменного 137 Се при внесении Супродита М уменьшилось в 2,8 раза, а в варианте с Супродитом - в 2,1 раза. При внесении Супродита и Супродита М количество подвижных форм 137Св в 1,9 раза ниже, чем на контроле (табл. 4). Применение Супродита и Супродита М приводит к более прочной фиксации 137Св почвой: содержание прочносвязанного 137Св возрастает по сравнению с контролем на 9,6-11,0%. Суммарное количество наиболее доступного для корневого усвоения 137Се растениями при внесении промышленных минеральных удобрений в 1,8-2,0 раза выше, чем в вариантах с использованием новых комплексных удобрений.
4. Формы содержания ( ^ в почве после внесения минеральных и новых комплексных удобрений (вегетационный опыт 2011 г.)
Вариант 137С§, % от суммарного
опыта 1н.-Ас>Ш4 1н. НС1 Зн. НС1 прочно
обменная подвиж- кислоторас- фиксирован-
ная творимая ная
Почва без 10,1±0,5 9,5±0,4 5,4±0,3 75,0±2,8
удобрений+ 137С§ - кон-
троль
137С§ 10,6±0,3 6,9±0,3 7,0±0,5 75,5±1,8
Супродит М + 137С§ 3,6±0,1 5,0±0,2 7,9±0,5 83,5±3,1
Супродит + 137С§ 4,7±0,2 5,1±0,5 8,0±0,6 82,2±2,2
Подвижность радионуклидов в почве определяет размеры их перехода в растения и накопление в урожае [4, 6]. Максимальное накопление 137Св в зерне в варианте без удобрений. Содержание 137 Се в зерне ячменя при внесении Супродита М снижается в 5,9 раза (в год внесения). Эффективность Супродита по ограничению перехода 137Се из почвы в растения составляет 3,4 раза (табл. 5).
5. Влияние Супродита и Супродита М на накопление ( ^ в зерне на серой лесной почве, Кн 137Сз (Бк/кг зерна/(Бк/кг почвы)
Вариант опыта 2011 г. 2012 г.
Масса Кн 137С§ Масса Кн 137С§
зерна, г/сосуд зерна, п ■ 10"3 зерна, г/сосуд зерна, п ■ 10"3
Почва без удоб- 9,5 38±5,0 9,0 28,8±3,0
рений + 137С§ -
контроль
137С§ 11,4 18±2,0 13,0 13,5±2,4
Супродит М + 137С§ 15,5 6,5±1,3 14,2 4,2±1,0
Супродит 13,0 11±2,2 12,5 8,4±1,5
НСР05 1,3 1,1
При внесении Супродита и Супродита М установлена положительная корреляция между Кн 137 Се (Бк/кг зерна/Бк/кг почвы) в урожае и содержанием обменной формы (г=0,68 и 0,90), а также между суммой обменной и подвижной форм (г=0,70 и 0,93) радионуклида в почве. Накопление 137Св в урожае ячменя при внесении промышленных минеральных удобрений снижается в 2,1 раза. Содержание 137Св в зерне при внесении Супродита и Супродита М в год их внесения в 1,6-2,8 раза ниже, чем в варианте с минеральными удобрениями. Положительный эффект Супродита и Супродита М по снижению поступления 137 Се из серой лесной почвы в ячмень проявился и на второй год опыта. Коэффициент накопления 137 Се ячменем на фоне ежегодно вносимых промышленных минеральных удобрений в 1,8-3,7 раза выше, чем при однократном внесении новых комплексных удобрений. Через год после внесения Супродита и Супродита М в почву содержание 137 Се в урожае ячменя снижается в 3,2-6,8 раза по сравнению с контролем, т.е. наблюдается такая же закономерность, как и в год внесения. Эффективность Супродита М в повышении урожайности ячменя и снижения доступности для усвоения растениями выше, чем Супродита.
В результате проведенных исследований разработаны практические рекомендации по применению комплексных удобрений Супродит и Супродит М в посевах сельскохозяйственных культур. По технологиям применения комплексных удобрений получены четыре авторских свидетельства.
Супродит и Супродит М рекомендуют применять в дозах 800-1000 кг/га в качестве основного удобрения под различные сельскохозяйственные культуры: зерновые, картофель, овощи, многолетние и однолетние травы.
Удобрения пролонгированного действия вносят 1 раз в 2-3 года.
Заключение. Применение новых комплексных удобрений Супродита и Супродита М в условиях техногенного загрязнения серой лесной среднесуглини-стой почвы обеспечивает наибольшую урожайность ярового ячменя и получение зерна с наименьшим со-
держанием Cd и 137Cs. Эффективность Супродита и Супродита М как в увеличении продуктивности ячменя, так и в ограничении поступления Cd и 137Cs из загрязненной почвы в растения выше, чем промышленных минеральных удобрений. Эффективность Супродита М по нейтрализации негативного влияния высоких концентраций Cd на показатели биологической активности почвы (в частности, на потенциальную активность дыхания и денитрификации почвы) существенно выше, чем минеральных удобрений.
Литература
1. Агроэкология // Под ред. В.А. Черникова и А.И. Чекереса. - М.: Колос, 2000. - 536 с.
2. Аяексахин Р.М. Научные основы ведения сельскохозяйственного производства на техногенно загрязненных территориях, обеспечивающего получение продукции, соответствующей нормативам. -Обнинск, 2004. - 110 с.
3. Аяексахин P.M., Ратников А.Н., Свириденко Д.Г. Жигарева Т.Л. Реестр технологических приемов восстановления техногенно нарушенных сельскохозяйственных земель. - Обнинск, 2009. - 106 с.
4. Бакунов Н.А., Юдинцева Е.В. К вопросу о снижении накопления 137Cs в растениях при обогащении почв природными сорбентами // Агрохимия. - 1989. - № 6. - С. 90-96.
5. Жигарева Т.Л., Алексахин P.M., Свириденко Д.Г., Ратников А.Н., Попова Г.И., Петров К.В. Влияние природных мелиорантов и тяжелых металлов на урожай зерновых культур и микрофлору дерново-подзолистой почвы II Агрохимия. - 2005. - № 11. - С. 60-65.
6. Крыленкин Д.В., Санжарова Н.И., Гешелъ И.В., Андреева Н.В. Накопление 90Sr в ячмене при внесении природных и искусственных сорбентов в дерново-подзолистую почву // Агрохимический вестник. -2013.-№6-С. 20.
7. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - М.: ЦИНАО, 1992. -45 с.
8. Обухов А.И., Плеханова И.О. Детоксикация дерново-подзолистых почв, загрязненных тяжелыми металлами: теоретические и практические аспекты II Агрохимия. - 1995. - № 2. - С. 108-116.
9. Овчаренко М.М., Бабкин В.В., Кирпичников НА. Факторы почвенного плодородия и загрязнение продукции тяжелыми металлами // Агрохимический вестник. - 1998. - № 3. - С. 31-34.
10. Павлоцкая Ф.И. Миграция радиоактивных продуктов глобальных выпадений в почвах. - М: Атомиздат, 1974. - 216 с.
11. Петров К.В., Ратников А.П., Свириденко Д.Г., Жигарева Т.Л., Попова Г.И. Супродит - новый сорбент-удобрение для техногенно загрязненных территорий // Плодородие. - 2010. - № 1. — С. 53-54.
12. Практикум по агрохимии И Под ред. В.Г. Минеева - М: МГУ, 2001.-С. 301-320.
EFFECT OF NEW COMPOUND FERTILIZERS ON THE PRODUCTIVITY OF SPRING BARLEY AND THE ACCUMULATION OF Cd AND 137Cs IN THE CROP
A.N. Ratnikov, D. G. Sviridenko, N.I. Sanzharova, T.L. Zhigareva, G.I. Popova, K. V. Petrov, O. Yu. Balanova Russian Scientific Research Institute of Agricultural Radiology and Agroecology, Kievskoe sh. 109 km, Obninsk, Kaluga oblast, 249032 Russia e-mail: ratnikov(3)riar. obninsk. org
Pot experiments have been performed to study the effect of mineral fertilizers and the new compound fertilizers Suprodit and Suprodit M on the yield of spring barley under conditions of technogenic pollution of the soil, as well as changes in the biological availability of Cd and 137Cs to plants. The application of Suprodit and Suprodit M to a loamy gray forest soil under technogenic pollution ensures the highest yield of barley grain. It has been found that the content of Cd and137 Cs in barley grain decreases by 2.9-6.8 times at the application of Suprodit and Suprodit M.
Keywords: soil contamination, yield, spring barley, mineral fertilizers, Suprodit, Suprodit M, 137Cs, cadmium, gray forest soil.
