Влияние технологических приемов возделывания зерновых культур на накопление 137Cs и тяжелых металлов в урожае и биологическую активность почв

Актуальность темы

В последние десятилетия в результате хозяйственной деятельности человека наблюдается рост числа и интенсивности физических и химических факторов, оказывающих негативное влияние на человека и окружающую среду. Вероятность загрязнения территорий Российской Федерации радиоактивными веществами в случае аварийных ситуаций на АЭС и других предприятиях ядерного топливного цикла (ЯТЦ) остается весьма высокой.

Радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации обусловлено преимущественно аварией на Чернобыльской АЭС, причем в ряде областей Российской Федерации уровни радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий 137Cs ограничивают ведение АПК, что приводит к существенному ухудшению социально-экономической ситуации в этих регионах. Именно сельскохозяйственные экосистемы являются наиболее уязвимыми и критическими вследствие того, что производимая на них продукция дает основной вклад в дозу внутреннего облучения населения, проживающего на загрязненных территориях [3].

В Российской Федерации радиоактивное загрязнение зафиксировано на территории.

— у.

21 региона, а общая площадь, подвергшаяся загрязнению, составила 150 тыс.км. Наиболее загрязненными оказались Брянская, Тульская, Калужская и Орловская области. В этих областях было проведено детальное картирование сельскохозяйственных угодий по плотности загрязнения 137Cs. В Брянской области площади сельскохозяйственных угодий с.

147 «У плотностью загрязнения Cs свыше 1 Ки/км составили 700,8 тыс. га, в Калужской -145,5 тыс. га, в Тульской — 778,7 тыс. га, в Орловской — 419,2 тыс. га. Для Рязанской и Смоленской областей площади сельскохозяйственных угодий с плотностью загрязнения.

147 9.

Cs 1−5 Ки/км составили соответственно 388,0 и 8,2 тыс. га.

При плотности загрязнения более 555 кБк/м2 137Cs (15 Ки/км2) устанавливалась зона жесткого радиационного контроля. В России на 01.01.91 г. она действовала на площади 2,4 тыс. км. Эта зона в основном находится на территории Брянской области. В Тульской, Калужской и Орловской областях имеются отдельные «пятна» 137Cs в населенных пунктах, на сельскохозяйственных и лесных угодьях. Наибольшему радиоактивному загрязнению подверглись 7 районов Брянской области (Красногорский, Злынковский, Новозыб-ковский, Клинцовский, Гордеевский, Климовский и Стародубский) с общей площадью сельскохозяйственных угодий (на 01.01.92 г.) 484 тыс. га, в том числе пашни — 333,4 тыс. га и пастбищ — 151 тыс. га. Удельный вес этих районов в производстве зерна составлял 22%, картофеля — 34%- овощей — 28% от валового производства области. В зоне жесткого контроля (на 01.01.92 г.) на территории Брянской области находилось 103,2 тыс. га сельскохозяйственных угодий, где расположено 276 населенных пунктов и проживало 111,4 тыс. человек [58, 101].

Поступление 137Cs в организм человека с продуктами питания происходит главным образом в результате его перехода из почвы в растения и далее в продукцию животноводства. Большое значение с точки зрения опасности токсикантов различной природы для ведения сельскохозяйственного производства имеет их доступность для растений. Прогнозирование химико-токсикологической и радиационной обстановки в сельском хозяйстве, а также разработка комплекса мероприятий по ее улучшению, базируются на знании особенностей миграции химических токсикантов и радионуклидов в агроландшафтах и оценке значимости различных факторов, влияющих на поведение загрязнителей.

В ряду отрицательных факторов, усиливающих агроэкологическое неблагополучие, особое место занимает загрязнение почв токсикантами различной природы [7]. Особенно сильно воздействует на агроэкосистемы промышленное производство. Присущие техногенным биоценозам сообщества живых организмов характеризуются изменчивостью структуры, слабой устойчивостью, случайным составом видов и неспособностью к воспроизводству [62, 88]. Большую озабоченность в последние десятилетия вызывает загрязнение природной среды тяжелыми металлами (ТМ). ТМ, такие как Со, Zn, Си, Ni, Mo, относятся к категории микроэлементов, но, накапливаясь в почвах и растениях в больших концентрациях, становятся токсичными для растений, животных и человека. Изучение особенностей поступления и снижения накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции является весьма актуальным. Достаточно сказать, что для ТМ в принципе не существует механизмов самоочищения — они лишь перемещаются из одного природного резервуара в другой, взаимодействуя с различными категориями живых организмов, и повсюду оставляя негативные последствия этого взаимодействия. В среднем поступление металлов в организм человека происходит следующим образом: по цепям питания — 40−50%, с водой — 20−40%, с воздухом — 20−40%.

Наиболее высокая степень загрязнения характерна для территорий, прилегающих к крупным городам с приоритетом металлургического производства, химической промышленности и машиностроения. Зоны влияния городов простираются на десятки километров, а крупных промышленных агломераций — на сотни километров: Московской — 200 км, Тульской — 120 км, Среднеуральской — 300 км, Кемеровской — 200 км. В результате работы только металлургических предприятий ежегодно на поверхность земли поступает не менее 154,7 тыс. т меди, 121,5 тыс. т цинка, 89 тыс. т свинца, 12 тыс. т никеля, 0,8 тыс. т кобальта, 1,5 тыс. т молибдена [7].

Основными сельскохозяйственными источниками загрязнения агросферы ТМ являются средства химизации (минеральные удобрения, мелиоранты и др.) и средства защиты растений. Содержание ТМ, примесных элементов в различных средствах химизации, может в сотни раз превышать их среднее содержание в почвах. В фосфорных удобрениях содержатся Cd, Cr, Со, Си, Pb, Ni, V, Zn. Наибольшую экологическую опасность представляют Hg, Cd, Pb и Zn. Навоз и известь также содержат тяжелые металлы. При дозе навоза 50 т/га в почву поступает 38 г/га Pb- 2,3 г/га Cd- 75 г/га Niс известью (5 т/га) — 221, 32 и 177 г/га Pb, Cd и Ni, соответственно.

Поступление ТМ в растения в значительной степени зависит от свойств почв, фазы развития растений, форм токсикантов в почвах и их трансформации [19, 24], Защитная функция почв обусловлена не только минеральной составляющей, но и содержанием и составом гумусовых веществ, и один из путей связывания ТМ — образование солей гумино-вых кислот и комплексов с гуминовыми кислотами.

На почвах, загрязненных ТМ, меняется соотношение питательных веществ в почве, наблюдается значительное снижение урожайности культур. Загрязнение почвы ТМ вызывает различные отклонения не только в росте и развитии растений, но и в анатомическом строении листа: происходит уменьшение толщины столбчатой и губчатой паренхимы, уменьшаются размеры клеток, снижается защитная функция эпидермиса. Не менее глубокое влияние оказывают тяжелые металлы па микрофлору и фауну почвы.

При организации сельскохозяйственного производства на территориях, подвергшихся техногенному загрязнению, необходимо применение эффективных агромелиоративных мероприятий в земледелии, внесение оптимальных доз извести, органических и минеральных удобренийподбор высокоурожайных сортов культур, устойчивых против болезней и вредителей, накапливающих минимальное количество ТМ и радионуклидоввнесение природных мелиорантов длительного срока действияразработка оптимальной системы защиты сельскохозяйственных культур от болезней, вредителей и сорной растительности, и многое другое. Обеспечение получения в загрязненных районах сельскохозяйственной продукции, отвечающей экологическим и радиологическим стандартам, крайне важно для поддержания инфраструктуры сельских районов и создания благополучной социальной обстановки на техпогенно загрязненных территориях.

При этом изучение влияния 137Cs и тяжелых металлов на показатели биологической активности почвы, характеризующие уровень ее плодородия, представляется чрезвычайно важным для понимания механизмов поглощения токсикантов растениями из почвы. Соче-танное действие антропогенных факторов па такие показатели биологической активности дерново-подзолистой почвы, как численность различных групп почвенных микроорганизмов, потенциальная активность азотфиксации, денитрификации почвы и скорость эмиссии СО2 в почве, ферментативная активность почвы, изучено недостаточно.

Цель и задачи исследования

Целью работы является комплексная оценка влияния технологических приемов возделывания зерновых культур па их продуктивность, накопление I37Cs, Cd и Zn в урожае и микробиологическую активность дерново-подзолистых почв при радиоактивном и химическом загрязнения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние способов основной обработки почвы и средств химизации на на.

1 17 копление Cs в урожае зерновых культур (ячмень, озимая рожь, овес) и плодородие почв в условиях радиоактивного загрязнения.

2. Исследовать действие агрохимических приемов и природных сорбентов на переход 137Cs и продуктивность зерновых культур при радиоактивном загрязнении почв.

3. Изучить влияние агротехнических и агрохимических мероприятий на показатели биологической активности почв в условиях радиоактивного загрязнения.

4. Выявить фитотоксичное действие тяжелых металлов (на примере Cd) на продуктивность зерновых культур.

5. Оценить влияние органических удобрений и сорбентов на переход Cd и Zn в зерновые культуры при химическом (моно и биэлементном) и комбинированном радиоактивном и химическом загрязнении почв.

6. Исследовать действие ТМ (Cd и Zn) на почвенный микробоценоз, потенциальную активность азотфиксации, денитрификации, скорость эмиссии СО2 в почве и ферментативную активность дерново-подзолистых почв.

7. Изучить влияние органических удобрений и сорбентов на состав микробоценоза и биологическую активность почв при химическом загрязнении.

8. Сравнительная оценка эффективности агрохимических мероприятий по снижению потоков 137Cs с зерном.

Теоретический вклад и научная новизна. Проведена количественная оценка пе.

117 рехода Cs, Cd и Zn в зерновые культуры при внесении в почву радионуклида и тяжелых металлов в различных концентрациях.

Проведенные исследования динамики изменения различных показателей биологической активности (численность основных групп почвенных микроорганизмов, потенциальная активность азотфиксации и денитрификации почвы, скорость эмиссии СО2 в почве, активность каталазы, дегидрогеназы и др. почвенных ферментов) позволяют получить объективные оценки состояния почвенного микробоценоза и изменения плодородия тех-ногенно загрязненной дерпово-подзолистой почвы.

Оценена эффективность применения природных и новых искусственных сорбентов в ограничении перехода 137Cs, Cd и Zn в ячмень, овес и пшеницу и нивелировании негативного действия высоких концентраций загрязняющих веществ на биологическую активность почвы.

Проведен анализ применения комплекса агротехнических и агрохимических мероприятий по минимизации перехода 137Cs, Cd и Zn в зерновые культуры с целью экологизации земледелия и получения экологически безопасной продукции растениеводства на дерново-подзолистой почве. Разработаны конкретные предложения производству.

Практическая значимость результатов исследований. Результаты исследований свидетельствуют о том, что гарантированное получение экологически безопасной сельскохозяйственной продукции на техпогенно загрязненной дерново-подзолистой почве достигается оптимизацией технологий возделывания сельскохозяйственных культур при качественном выполнении всех агротехнических операций и внедрением новых приемов (в том числе с применением природных и новых искусственных сорбентов), способст.

Л 7 вующих минимизации накопления Cs, Cd и Zn зерновыми культурами.

Показано, что изменение различных показателей биологической активности почвы при применении различных приемов в технологиях возделывания культур дает объективную информацию о состоянии почвенного плодородия.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в конкретных рекомендациях по применению защитных мероприятий на техногенно загрязненных территориях с целыо получения экологически безопасной продукции растениеводства.

Предложенные технологии обработки почвы, применения органических, минеральных удобрений, природных и искусственных сорбентов на техногенно загрязненных сельскохозяйственных угодьях, можно использовать при разработке практических рекомендаций по организации и ведению сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Эффективность применения на дерново-подзолистой почве минеральных и органических удобрений, природных и искусственных сорбентов при химическом монои биэле-мептпом и радиоактивном загрязнении с целью экологизации земледелия и получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.

2. Влияние различных технологических приемов возделывания зерновых культур на показатели биологической активности радиоактивно загрязненной после аварии на ЧАЭС дерново-подзолистой почвы.

3. Оценка влияния различных концентраций TM (Cd и Zn) на показатели биологической активности дерново-подзолистой почвы: а) потенциальную активность азотфиксации, денитрификации и скорость эмиссии СО2 в почвеб) численность основных групп почвенных микроорганизмовв) ферментативную активность почвы.

4. Результаты по оценке применения органических и минеральных удобрегний, природных и искусственных сорбентов с целью нейтрализации негативного действия Cd и Zn при химическом загрязнении на различные показатели биологической активности почвы.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Радиоактивность при ядерных авариях и взрывах» (Москва, 2000 г.), 1 -й Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2004 г.), 2-й Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2005 г.), 6-й Международной конференции «Экология человека и природы (Плес, 2004 г.), 2-й Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (Тула, 2004).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работав виде научных статей и тезисов докладов, 4 статьи приняты в печать и находятся в стадии опубликования.

Работа выполнена в рамках программ научно-теоретических и прикладных исследований по тематике РАСХН.

Апробация диссертации состоялась па межлабораторном научном семинаре ГНУ ВНИИСХРАЭ 16 июня 2005 г.

Автор благодарит всех сотрудников лаборатории № 8 и физико-химического отдела ГНУ ВНИИСХРАЭ, а также коллективы кафедр агрохимии и биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета за содействие и всестороннюю помощь в выполнении настоящей работы.

Автор выражает искреннюю благодарность зам. директора по научной работе Но-возыбковской Государственной сельскохозяйственной опытной станции ВНИИА имени Д. Н. Прянишникова Ф.В. Моисеенко и ведущим специалистам А. Т. Куриленко, М.Г. Дра-ганской и М. А. Духанину за помощь в организации и проведении многолетних полевых опытов.

ВЫВОДЫ.

Применение комплекса агротехнических и агрохимических приемов в технологиях возделывания зерновых культур, направленного на сохранение плодородия дерново-подзолистых почв в районах Брянского Полесья, наиболее пострадавших после аварии.

1 47 на ЧАЭС, обеспечивает снижение накопления Cs в урожае в 1,1−2,5 раза. Максимальное снижение поступления 137Cs в зерновые культуры наблюдается при соотношении питательных элементов N60P90K120. Переход l37Cs в зерно ячменя по вспашке в 1,4 раза ниже, чем по дискованию почвы. При внесении повышенных доз минеральных.

1 47 удобрений N120P60K120 под ячмень по дискованию накопление Cs в зерне снижается в 1,3 раза. Повышенные дозы удобрений N135P90K180 снижают аккумуляцию I37Cs в зерне озимой ржи по вспашке в 1,4 раза.

Применение традиционных агромелиорантов в технологиях возделывания зерновых культур на дерново-подзолистых почвах легкого механического состава в дозах: извести — 5,0−6,5 т/гафосфоритной муки — 2,1 т/га, органических удобрений — 50−60 т/га — снижает накопление l37Cs в урожае в 1,1−2,3 раза. Внесение палыгорскитовых глин и опок для повышения сорбционных свойств радиоактивно загрязненных дерново-подзолистых почв в дозах 20 т/га на фоне КбоРбоКбо повышает урожайность зерновых культур и способствует снижению содержания l37Cs в зерне в 1,7−2,4 раза. Положительный эффект по снижению поступления 137Cs в зерновые культуры проявляется в течение 4-х лет.

Применение комплекса агротехнических и агрохимических мероприятий на малоплодородных радиоактивно загрязненных дерпово-подзолистых почвах вызывает изменения показателей биологической активности почв. Внесение повышенных доз минеральных удобрений N135P90K180 под озимую рожь при обработке почвы на глубину 1012 см повышает активность азотфиксации до 2,3 раза к концу вегетации. При плужной обработке почвы и применении минеральных удобрений под ячмень в дозе N120P60K120 уровень азотфиксации увеличивается в 1,7 раза, а скорость эмиссии СОг в почве увеличивается до 5,8 раза. Внесение навоза в дозах 50−60 т/га и извести 6,5 т/га при комплексном агрохимическом окультуривании дерново-подзолистых почв способствует повышению уровня азотфиксации до 3-х раз. Применение фосфоритной муки в дозе 2,1 т/га на почвах с низкой обеспеченностью подвижным фосфором стимулирует скорость эмиссии СОг в почве в 1,9 раза. Среди изученных ферментов (каталаза, дегидро-геназа, пероксидаза, полифенолоксидаза, инвертаза) наиболее чувствительной оказалась дегидрогеназа, связанная с процессом дыхания почвы. Установлена тесная корреляционная зависимость между активностью дегидрогеназы и скоростью эмиссии СОг в дерпово-подзолистой песчаной почве при внесении минеральных удобрений и различных способах ее основной обработки под ячменем (г=0,8−0,9). Активность дегидрогеназы при внесении минеральных удобрений N90P60K120 под озимую рожь при дисковании выше, чем по вспашке, в 1,2−1,7 раза.

При химическом загрязнении дерново-подзолистых почв Cd и Zn установлено, что при концентрации Cd 150 мг/кг почвы продуктивность зерновых культур снижается на 50%. При концентрации Cd в почве 300 и Zn — 1500 мг/кг наблюдается 100% гибель растений на ранних стадиях развития. Прямой пропорциональной зависимости между содержанием ТМ в изучаемых концентрациях в почве (Cd3, Cd3o и Znso и Zn5oo) n их накоплением в растениях при моноэлемеитиом загрязнении не отмечено. При сочетанием загрязнении дерново-подзолистой почвы Cdio и Zn3oo происходит снижение накопления Cd в урожае ячменя в 1,1−1,4 раза, a Zn — в 1,5 раза по сравнению с вариантами моноэлементного внесения ТМ.

При мопоэлементном химическом загрязнении дериово-подзолистых почв Cd в концентрациях 3 и 10 мг/кг внесение органических удобрений не оказывает влияния на его поступление в урожай зерновых культур. Применение органических удобрений на дерпово-подзолистых почвах, загрязненных Znso и Zn3oo способствует снижению накопления токсиканта в урожае в 1,2−1,6 раза. Использование палыгорскитовых глин и опок для снижения поступления Cd и Zn в урожай зерновых культур малоэффективно. Модифицированные сорбенты на основе трепела, обладая высокой емкостью поглощения, снижают содержание Cd в растениях на ранних фазах развития в 1,3−1,7 раза. При химическом загрязнении почвы Cdio, Cdj5 и Zn3oo происходят изменения в составе почвенного микробоценоза. Численность бактерий и актиномицетов при внесении Cd и Zn снижается в 1,2−1,6 раза. Zn уменьшает количество почвенных грибов в 1,5 раза, что приводит к снижению коэффициента минерализации в 2,1−2,2 раза и угнетению деятельности микроорганизмов, разрушающих органическое вещество почвы. При моноэлементном загрязнении почвы Cdio и Zn3oo снижается активность азотфиксации к концу вегетации зерновых культур в 1,9−3,5 раза, скорость эмиссии СОг в почве — в 1,3 раза. Наиболее токсичным для микробоценоза почвы является загрязнение (Cd, 5+Zn, 5oo) и Znisoo. Потенциальная активность дыхания почвы при этом снижается в 3,6 раза. Активность фермента дегидрогеназы тесно положительно коррелирует со скоростью эмиссии СОг в почве (г = 0,79−0,99).

Применение органических удобрений при возделывании зерновых культур нивелирует негативное действие Cdio, Cdis и Zn3oo на микробоценоз техногенно загрязненной дерново-подзолистой почвы и уровень азотфиксации, увеличивает скорость эмиссии СО2 в почве в 1,4−1,5 раза и восстанавливает активность дегидрогеназы. Внесение в загрязненную Cdis и Zn3oo почву палыгорскитовых глин стимулирует активность почвенных грибов в 1,4−2,2 раза, и угнетает деятельность актиномицетов, что приводит к замедлению процессов разложения органического вещества почвы. Скорость эмиссии СО2 в дерново-подзолистых почвах, загрязненных Cd^ и Cd3o, при внесении палыгорскитовых глин возрастает в 1,6 раза.

Сравнительная оценка эфективности агрохимических мероприятий в технологиях возделывания зерновых культур на основании величины выноса I37Cs с единицы площади показала, что наиболее эффективным приемом является применение повышенной дозы калийных удобрений и комплексного окультуривания почвы, при которых снижение.

1Я7 О величины потока Cs с зерном (Бк/м) составила 2,0−2,6 раза. Применение минеральных удобрений в рекомендованных дозах (N90P60K90) способствует увеличению выноса 137Cs с зерном (Бк/м2) до 3,0 раза.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

1. С целью сохранения плодородия почв и получения экологически безопасной продукции зерновых культур на радиоактивно загрязненных после аварии на ЧАЭС дерново-подзолистых почвах в хозяйствах можно рекомендовать следующие мероприятия: а) применение рекомендованных доз минеральных удобрений (N90P60K.90 для ячменя и N90P60K.120 для озимой ржи) по дискованиюб) известкование почв по полной гидролитической кислотности по среднему фону минеральных удобрений (ИбоРбоКбо) под овес, ячмень, озимую рожь и озимую пшеницув) внесение органических удобрений (навоз, торфонавозный компост и др.) в количестве не менее 40−60 т/га по среднему фону минеральных удобрений под все зерновые культурыг) по возможности сочетанное внесение извести, высоких (до 380 кг д.в./га) доз калийных удобрений и навоза, особенно под озимые культурыд) применение природных сорбентов (палыгорскитовая глина и опока) в количестве 20 т/га по фону удобрений ЫбоРбоКбомч.

2. При комбинированном (радиоактивном и химическом — Cs+Cd+Zn) загрязнении дерново-подзолистых почв эффективным мероприятием по снижению накопления токсикантов в урожае является использование новых модифицированных сорбентов на основе трепела Зикеевского месторождения Калужской области в количествах 20 т/га и минеральных удобрений в дозе ЫбоРбоК-бо.

3. Модифицированные сорбенты оказываются эффективнее органических удобрений и палыгорскитовой глины и опоки при химическом (Cd и Zn) загрязнении почв.