CC BY
20
УДК 631.95
ВЛИЯНИЕ ВОЗРАСТАЮЩИХ ДОЗ БАРДЫ ПОСЛЕСПИРТОВОЙ НА СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И РАСТИТЕЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ
Е.В. ДАБАХОВА1, доктор сельскохозяйственных наук, проректор по научной и инновационной работе
В.И. ТИТОВА1, доктор сельскохозяйственных наук, зав. кафедрой агрохимии и агроэкологии
Н.А. КОРЧЕНКИНА2, кандидат биологических наук, научный сотрудник
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина,97
2Нижегородский НИИСХ, Россия, Нижегородская область, Кстовский район, п. Селекционной станции, п/о Ройка
E-mail: [email protected]
Резюме. В вегетационных опытах, повторенных во времени в течение 3-х лет, изучали влияние возрастающих доз барды после-спиртовой на урожайность яровой пшеницы и овса, содержание тяжелых металлов в зерне и светло-серой лесной легкосуглинистой почве. Характеристика барды: сухое вещество - 3,7 %; кислотность - 4,3 ед. рН; массовая доля свинца (в пересчете на сухое вещество) 35 мг/кг, кадмия - 8, цинка - 36, меди - 8, хрома - 10, никеля -13, марганца -16, кобальта -10 мг/кг. Применение барды способствовало увеличению надземной биомассы и массы зерна овса, отношению к контрольному варианту, на45...159и 61...231%о соответственно, яровой пшеницы - на 38.53 и 49.73%. Разовое внесение высоких доз барды не оказало влияния на валовое содержание металлов в почве. Оно во всех вариантах было ниже ОДК, и в большинстве случаев - ниже фона, установленного для почв Нижегородской области. Концентрация подвижных форм металлов, определенная в ацетатно-аммонийном буфере, также была ниже ПДК. Внесение барды повлияло на физико-химические свойства почвы (величина рНт снизилась, по сравнению с контролем, на 0,5 единиц, гидролитическая кислотность возросла на 0,3 мг-экв./100 г почвы, степень насыщенности основаниями уменьшилась почти на 4%), что привело к увеличению степени подвижности (доля подвижных форм от валового содержания) кадмия и меди. При использовании отхода в дозе 400 мл/сосуд степень подвижности меди была в 1,3 раза выше, чем в контроле. Степень подвижности свинца, цинка и никеля практически не зависела от внесения барды. Несмотря на тенденцию некоторого увеличения уровня аккумуляции тяжелых металлов в зерне под действием барды, их содержание во всех случаях находилось в допустимых пределах и слабо зависело от дозы барды. Применение высоких доз барды послеспиртовой практически не повлияло на санитарно-гигиеническую характеристику почвы, а полученная растениеводческая продукция по содержанию тяжелых металлов удовлетворяла критериям безопасности. Ключевые слова: барда послеспиртовая, тяжелые металлы, светло-серая лесная почва, овес, яровая пшеница, урожайность, загрязнение почв, безопасность продукции
Отход предприятий по производству спирта - барда послеспиртовая - содержит в своем составе биогенные элементы и рассматривается в последние годы как удобрительный материал. Агрономическая эффективность его применения в средних дозах (в основном до 100 т/ га) подтверждена серией полевых и производственных опытов, проведенных на различных типах почв с картофелем, зерновыми и кормовыми культурами в Нижегородской, Ивановской, Владимирской, Московской, Орловской и других областях [1-13]. Однако экономическая
нецелесообразность транспортировки барды на дальние расстояния диктует необходимость использования ее высоких и сверхвысоких доз на площадях, прилегающих к месту образования отхода, что обусловливает возможность возникновения негативных экологических последствий, среди которых важное место занимает увеличение содержания тяжелых металлов в почве и растительной продукции. Применение высоких доз барды послеспир-товой может влиять на аккумуляцию токсикантов как в результате прямого воздействия (непосредственное поступление тяжелых металлов в почву с отходом), так и косвенно (увеличение степени подвижности металлов при внесении кислого материала с рН 3.. .4 ед).
В связи с изложенным цель нашего исследования - оценка влияния утилизации высоких доз барды послеспиртовой на содержание тяжелых металлов в светло-серой лесной легкосуглинистой почве и в зерне яровой пшеницы и овса.
Условия, материалы и методы. Работа выполнена в 2008-2013 гг. в условиях вегетационных экспериментов, заложенных на опытной стационарной площадке кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА. Используемая послеспиртовая барда характеризовалась следующими показателями: содержание сухого вещества - 3,7%; кислотность - 4,3 ед. рН; массовая доля свинца (в пересчете на сухое вещество) 35 мг/кг, кадмия - 8, цинка - 36, меди - 8, хрома - 10, никеля - 13, марганца - 16, кобальта - 10 мг/кг. Опыты проведены на светло-серой лесной легкосуглинистой почве содержание подвижных форм фосфора - повышенное, подвижных форм калия - среднее; реакция среды - слабокислая - близкая к нейтральной; сумма поглощенных оснований - средняя; степень насыщенности основаниями - повышенная. Содержание тяжелых металлов (валовое/подвижные формы): свинец -6,5/0,55 мг/кг, кадмий - 0,4/0,10; цинк - 6,9/0,23, медь -26,8/1,34, никель - 9,9/0,6 мг/кг.
Эксперименты поставлены в 4-х кратной повтор-ности в сосудах Митчерлиха вместимостью 5 кг почвы. Барду вносили при набивке сосудов. Диапазон доз варьировал от 0 (контроль) до 400 мл/сосуд с шагом 100 мл/сосуд (табл. 1). В опыте 1 выращивали овес (сорт Привет), в опыте 2 - яровую пшеницу (сорт Амир). Каждый эксперимент был трижды повторен во времени. В таблицах приведены усредненные по трем годам исследований данные. Математическая обработка результатов исследований выполнена методом дисперсионного анализа по Доспехову с использованием программного обеспечения Microsoft Office Excel 2007.
Таблица 1. Влияние возрастающих доз барды послеспиртовой на урожайность зерновых культур
Вариант Опыт 1 (овес) Опыт 2 (яровая пшеница)
надземная масса зерно надземная масса зерно
1* 1 2* 1 2 1 1 2 1 1 2
Контроль 14,1 - 4,9 - 11,1 - 3,3 -
Барда 100 мл 20,4 45 7,9 61 15,8 42 5,0 52
Барда 200 мл 23,0 63 9,6 96 17,0 53 5,7 73
Барда 300 мл 36,5 159 15,4 214 16,1 45 5,3 61
Барда 400 мл 34,2 143 16,2 231 15,3 38 4,9 49
НСР05 1,2 5 1,1 10 1,1 8 0,6 13
* - масса, г/сосуд; ** Достижения науки и техники АПК. 2014. Т 28. № 10
прибавка к контролю, %
Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в почве, мг/кг
Вариант Валовое содержание Подвижные формы
Pb | Cd 1 Zn 1 ^ Ni Pb Cd Zn ^ Ni
Опыт 1 (овес)
Контроль 6,5 0,4 6,9 23,3 9,9 0,52 0,10 0,21 1,35 0,56
Барда 100 мл 6,5 0,4 7,0 23,8 9,8 0,54 0,11 0,24 1,34 0,60
Барда 200 мл 6,6 0,4 7,4 23,9 9,9 0,51 0,11 0,24 1,45 0,63
Барда 300 мл 6,6 0,4 7,6 25,1 10,0 0,55 0,12 0,27 1,75 0,64
Барда 400 мл 6,9 0,5 7,7 27,6 10,1 0,56 0,12 0,29 2,01 0,64
Опыт 2 (яровая пшеница)
Контроль 6,5 0,4 7,3 23,9 9,7 0,53 0,11 0,22 1,39 0,54
Барда 100 мл 6,5 0,4 7,5 24,4 9,9 0,55 0,12 0,24 1,44 0,56
Барда 200 мл 6,7 0,5 7,6 25,1 10,1 0,54 0,12 0,24 1,50 0,59
Барда 300 мл 7,0 0,5 7,8 25,9 10,3 0,57 0,13 0,26 1,69 0,62
Барда 400 мл 6,9 0,5 7,8 27,0 10,3 0,57 0,14 0,28 2,00 0,62
ОДК (ПДК), не более* 65,0 1,0 110 66,0 40,0 6,00 - 23,0 3,00 4,00
Фон [14] 8,7 0,61 9,2 26,6 20,8 1,00 0,20 0,30 0,90 1,50
было ниже ПДК. Превышение фона отмечено только по меди, причем эта тенденция наблюдалась как в контроле, так и в удобренных вариантах. Внесение высоких доз барды послеспиртовой приводило к некоторому увеличению концентрации подвижных форм металлов. Однако при зафиксированном уровне величин показателей такой процесс можно считать несущественным.
Максимальная в опыте степень подвижности тяжелых металлов, определенная как доля подвижных форм от валового содержания, характерна для кадмия (23...30%), что обусловлено особенностями этого элемента. По мере увеличения дозы исследуемого отхода она несколько возрастала. Степень подвижности свинца практически не зависела от внесения барды и во всех случаях была ниже фоновой. Подвижность цинка и никеля была близка к фону и слабо изменялась по вариантам опыта.
Доля подвижных форм меди от валового количества уже в контрольном варианте была заметно выше фоновой. По мере увеличения дозы барды она возрастала. При внесении отхода в количестве 400 мл/сосуд степень подвижности меди была в 1,3 раза выше, чем в контроле.
В зерне овса в вариантах с высокими дозами барды послеспиртовой содержание тяжелых металлов было несколько выше, чем в контроле: в среднем прибавка в удобренных вариантах по цинку составила 26%, по меди - 15%.
Концентрация свинца и никеля изменялась по вариантам в гораздо меньшей степени. Содержание кадмия во всех случаях было ниже предела обнаружения используемой аналитической методики. Несмотря на тенденцию некоторого увеличения уровня аккумуляции металлов в зерне под действием барды, их концентрация во всех случаях оставалась в допустимых пределах, в том числе по цинку и меди. Аналогичные результаты получены в опытах с яровой пшеницей: на фоне незначительного повышения содержания тяжелых металлов при внесении максимальных в эксперименте доз барды, абсолютные величины во всех случаях были существенно ниже ПДК.
Коэффициенты аккумуляции тяжелых металлов в зерне овса, определенные по соотношению элементов в растительном материале и почве, показывают, что накопление свинца и никеля в зерне овса невелико и не зависит от количества вносимого отхода (табл. 4). Аккумуляция свинца и меди была более выражена, что, очевидно, обусловлено биологической значимостью
этих элементов. Причем в отношении цинка просматривается определенная зависимость между величиной анализируемого коэффициента и дозами барды: на фоне с ее максимальным в опыте количеством коэффициент биоаккумуляции в 1,2 раза выше, чем в контроле. Перечисленные тенденции
* - допустимый уровень согласно СанПиН2.3.2.1078-01 «Гигиенические требования безо- отмечен^ и в опыте с яровой пасности и пищевой ценности пищевых продуктов»; СанПиН42-123-4089-86 «Предельно до- пшеницей. При этом наиболее пустимые концентрации ТМ и мышьяка в продовольственном сырье и пищевых продуктах» значимые относительные из-
32 - Достижения науки и техники АПК. 2014. Т. 28. № 10
* - гигиенические нормативы ГН 2.1.7.22041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве».
Результаты и обсуждение. Использование изучаемого отхода производства способствовало увеличению, как надземной биомассы, так и массы зерна овса и яровой пшеницы.
В исследуемом диапазоне доз барда не оказывала угнетающего действия на растения, однако по мере увеличения дозы выше 200.. .300 мл/сосуд эффект от ее применения в опыте 2 снижался (табл. 1). Положительное действие барды в гораздо большей степени проявлялось на овсе. Так, в среднем за три года прибавки его надземной биомассы к контролю находились в диапазоне от 6,3 до 22,4 г/сосуд. В опытах с пшеницей величина этого показателя изменялась в интервале 4,2-5,9 г/сосуд. По зерну разница была еще более значимой. Очевидно, это связано с биологическими особенностями культур. В частности, барда - кислый материал, что может ограничивать ее положительное действие на пшеницу, которая, в отличие от овса, негативно реагирует на повышение почвенной кислотности.
Валовое содержание металлов в почве опытов во всех вариантах было ниже ОДК, и в большинстве случаев - ниже фона, установленного для почв Нижегородской области (табл. 2). Внесение высоких доз барды чаще всего оказывало слабое влияние на величины рассматриваемых показателей.
Как отмечено ранее, внесение барды может воздействовать на содержание подвижных форм элементов в результате изменения физико-химических свойств почвы. В среднем на фоне максимальной дозы использования барды послеспиртовой значение рНКС| почвенного раствора снизилось, по сравнению с контролем, на 0,5 ед., гидролитическая кислотность увеличилась на 0,3 мг-экв./100 г почвы, степень насыщенности основаниями уменьшилась почти на 4%.
Содержание подвижных форм металлов, определенное в ацетатно-аммонийном буфере, во всех случаях
Таблица 3. Содержание тяжелых металлов в зерне овса и яровой пшеницы, мг/кг, среднее за 2008-2010 гг.
Вариант Овес Яровая пшеница
Pb Cd Zn Ni Pb Cd Zn Ni
Контроль 0,18 <0,02 3,58 22,44 0,89 0,20 0,03 3,86 22,10 0,89
Барда: 100 мл 0,18 <0,02 3,94 24,91 0,90 0,20 <0,02 4,46 22,82 0,88
200 мл 0,18 <0,02 4,30 24,86 0,90 0,21 0,02 4,58 24,38 0,90
300 мл 0,19 <0,02 4,85 25,91 0,91 0,21 0,03 4,70 24,45 0,90
400 мл 0,19 <0,02 4,95 25,91 0,91 0,21 0,03 4,89 26,01 0,90
Норма* 0,5 0,1 10,0 50,0 — 0,5 0,1 10,0 50,0 —
Таблица 4. Коэффициент биоаккумуляции тяжелых металлов в зерне овса и яровой пшеницы, среднее за 2008-2010 гг.
Вариант Овес Яровая пшеница
Pb Cd| Zn Cu Ni Pb 1 Cd Zn Cu Ni
Контроль 0,03 - 0,52 0,96 0,09 0,03 0,07 0,53 0,92 0,09
Барда: 100 мл 0,03 - 0,56 1,05 0,09 0,03 - 0,60 0,93 0,09
200 мл 0,03 - 0,58 1,04 0,09 0,03 0,04 0,60 0,97 0,09
300 мл 0,03 - 0,64 1,03 0,09 0,03 0,07 0,61 0,94 0,09
400 мл 0,03 - 0,64 0,94 0,09 0,03 0,07 0,63 0,96 0,09
менения также были характерны для цинка и меди, а самая четкая прямая зависимость междудозами изучаемого отхода и коэффициентом биоаккумуляции установлена по цинку. На наш взгляд, при выявленном уровне содержания цинка в зерне выращиваемых в опыте культур повышение коэффициента биоаккумуляции свидетельствует не столько о потенциальной опасности загрязнения растениеводческой продукции этим элементом, сколько об улучшении условий питания растений, в том числе о росте обеспеченности их доступными формами микроэлемента. В то же время следует отметить, что тенденции, не представляющие собой опасности при разовом внесении высоких доз отхода, могут приобрести другие масштабы при многолетней утилизации барды на одном и том же участке.
Выводы. Таким образом, содержание тяжелых металлов в почве при использовании барды по-слеспиртовой в качестве удобрительного материала остается существенно ниже ОДК (ПДК) и в большинстве случаев - ниже фона. Применение высоких доз изученного отхода перерабатывающего производства не повлияло на санитарно-гигиеническую характеристику почвы, что свидетельствует о низкой степени опасности сверхнормативного загрязнения тяжелыми металлами при условии разового внесения его высоких доз.
Выращенная на фоне очень высоких доз отхода продукция удовлетворяла критериям безопасности по содержанию тяжелых металлов, а отсутствие значимой зависимости между внесением отхода и коэффициентами биоаккумуляции наиболее токсичных элементов -свинца, кадмия и никеля - свидетельствует о невысокой потенциальной опасности загрязнения перечисленными металлами под действием барды послеспиртовой.
Литература.
1. Ненайденко Г.Н., Корчагин А.А., Майстренко Н.Н. Влияние свежей барды на свойства дерново-подзолистой и серой лесной почв и урожайность зерновых культур //Агрохимия. 1997. № 9. С. 42-52.
2. Ненайденко Г.Н., Корчагин А.А., Сибирякова Т.В. Влияние внесения барды в подкормку на урожай озимой ржи и многолетних трав //Агрохимия. 1998. № 6. С. 68-73.
3. Ненайденко Г.Н. Агрохимическая оценка барды //Агрохимия. 1998. № 2. С. 88.
4. Ненайденко Г.Н. Агрохимическая характеристика бардяного осадка (ила) и его влияние на свойства почвы и урожайность зерновых культур // Агрохимия. 2002. № 3. С. 27-34.
5. Ненайденко Г.Н., Корчагин А.А., Окорков В.В. Эффективность удобрительных смесей на основе бардяного осадка при внесении под ячмень и пшеницу //Агрохимия. 2002. № 9. С. 47-51.
6. Ненайденко Г.Н. Экологические аспекты утилизации спиртовых отходов в земледелии. М.: Химия в сельском хозяйстве, 2004. 160 с.
7. Ненайденко Г.Н., Журба О.С., Шереверов В.Д. Послеспиртовая барда в качестве органического удобрения//Ликеро-водочное производство и виноделие. 2008. № 7. С. 12-15.
8. Гурин А.Г., Плешкова Н.К., Кузяева О.С. Использование фильтрата спиртовой барды в качестве альтернативного удобрения при возделывании ячменя на территории Орловской области //Вестник ОрелГАУ. 2009. №4. С. 21-23.
9. Тюрникова Е.Г., Зинина Н.А. Влияние барды спиртовой разных сроков хранения на урожайность и качество рапса // Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений: Мат. межд. научно-практ. конф. Н.Новгород: Изд-во ВВАГС, 2011. С. 57-60.
10. Ушаков О.В. Применение отходов спиртовой промышленности (барды) в качестве жидкого органического удобрения под сельскохозяйственные культуры и кормовые угодья Рязанской области: автореф. канд...с.-х. наук. М., 2011. 19 с.
11. Шилов М.П., Бакуменко И.В. Влияние спиртовой барды на эффективное плодородие черноземно-солонцового комплекса северного Казахстана //Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений: Мат. межд. научно-практ. конф. Н.Новгород: Изд-во ВВАГС, 2011. С. 65-68.
12. Кузяева О.С. Эколого-биологические основы утилизации отходов спиртового производства в агроэкосистемах: автореф. дис.канд. с.-х. наук. Орел, 2012. 20 с.
13. Ненайденко Г.Н., Ильин Л.И. Инновационные направления утилизации послеспиртовой барды. М., 2012. 244 с.
14. Шафронов О.Д. [и др.] Геологическая основа формирования фона тяжелых металлов в почвах Нижегородчины. Н. Новгород: НГСХА, 2003.
INFLUENCE OF INCREASING DOSES OF STILLAGE ON THE CONTENT OF HEAVY METALS IN SOIL
AND PLANT PRODUCTS
1E.V. Dabakhova, 1V.E. Titova, 2N.A. Korchenkina
1Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Russia , Nizhny Novgorod, Gagarin avenue, 97
2Nizhny Novgorod Agricultural Research Institute, Russia , Nizhny Novgorod region, Kstovo district, Selectsionnaya Stantsia village, post office Royka
Summary. The effects of increasing doses of distillery stillage on the yield of spring wheat and oats, the content of heavy metals in grain and light-gray forest light loamy soil was studied in greenhouse experiments, repeated in the time during 3 years. The features of stillage are the next: dry matter is 3.7 %; acidity pH is 4.3; the mass fraction of lead (calculated on dry substance) is 35 mg/kg, of cadmium is 8, of zinc is 36, of copper is 8, of chromium is 10, of nickel is 13, of manganese is 16, and of cobalt is 10 mg/kg. The application of stillage contributed to the increase in above-ground biomass and weight of grain of oats, with respect to the control variant, on 45.. .159 and 61.. .231 %, correspondingly, of spring wheat - on 38.53 and 49.73 %. A single application of a high dose of stillage had no impact on the total contents of metals in the soil. It was below the APC in all cases and below the background specified for soils of Nizhny Novgorod region in the majority of cases. The concentration of mobile forms of metals determined in acetate-ammonium buffer was also below the MAC. Application of stillage influenced the physicochemical properties of soil (pHKCl decreased compared to the control by 0.5 units, hydrolytic acidity increased by 0.3 meq/100 g of soil, the degree of saturation by bases decreased by almost 4 %), which led to an increase in the degree of mobility (percentage of mobile forms of the total content) of cadmium and copper. With application of waste matter in a dose of 400 ml/pot the degree of copper mobility was 1.3 times higher than in the control. The degree of mobility of lead, zinc and nickel did not practically depend on stillage application. Despite the tendency of some increase in the level of accumulation of metals in grains under the action of stillage, their content in all cases was within the standard value and was weakly depended on the dose of stillage. The use of high doses of distillery stillage did not almost effect on sanitary and hygienic characteristics of the soil, and obtained crop production satisfied the safety criteria on the content of heavy metals. Keywords: distillery stillage, heavy metals, light-grey forest soil, oats, spring wheat, yield, soil pollution, safety of production.
Достижения науки и техники АПК. 2014. Т 28. № 10
33
