Влияние золошлака на свойства почв и содержание тяжелых металлов при использ о вании его в качестве мелиоранта
На правах рукописи
Гребенщикова Елена Александровна
ВЛИЯНИЕ ЗОЛОШЛАКА НА СВОЙСТВА ПОЧВ
И СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЕГО В КАЧЕСТВЕ МЕЛИОРАНТА
03.00.27 – почвоведение
06.01.03 – агропочвоведение
Автореферат
диссертации на соискание
ученой степени кандидата
биологических наук
Владивосток - 2007
Работа выполнена на кафедре природообустройства Дальневосточного государственного аграрного университета МСХ РФ
| Научный руководитель: Научный консультант: | кандидат биологических наук, доцент Чернаков Юрий Степанович кандидат сельскохозяйственных наук, профессор Ознобихин Владимир Иванович |
| Официальные оппоненты: Ведущая организация: | доктор географических наук, старший научный сотрудник Росликова Валентина Ивановна кандидат биологических наук Шляхов Сергей Александрович Институт земледелия и природообустройства Приморской государственной сельскохозяйственной академии, г. Уссурийск |
Защита состоится «19» октября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 005.003.01 при Биолого-почвенном институте ДВО РАН по адресу: 690022, г. Владивосток, проспект 100 лет Владивостоку, 159. Факс: (4232) 310193.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ДВО РАН.
Автореферат разослан «1 » сентября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор биологических наук Л.Н. Пуртова
Общая характеристика работы
Актуальность исследований. Почвы на территории Дальнего Востока России, в том числе Амурской области, в большинстве своем кислые, имеют тяжелый гранулометрический состав, часто переувлажняются. Поэтому, чтобы улучшить условия произрастания культурных растений и условия их питания, необходимо вносить мелиоранты.
В связи с подорожанием транспортных услуг и цен на ввозимые извне удобрения особое внимание в настоящее время обращается на применение вторичного сырья, в том числе местных золошлаковых отходов в сельском хозяйстве в качестве мелиорантов и удобрений (Голов и Тимофеева, 2005, 2006). Тем более что во многих случаях отмечается значительное скопление золошлаков вблизи работающих на углях ТЭЦ. Однако почвенно-экологическая безопасность их применения изучена недостаточно, и она должна решаться с учетом конкретных свойств золошлаковых отвальных масс и исходных свойств почв.
Исследования, проведенные в Амурской области (Беляев, Туров, Чернаков, 1998; Онищук, 1998; Чернаков и др. 2001, 2003), Приморском крае (Серов, 1991а, б) и др., посвящены преимущественно влиянию золошлаков ТЭЦ на урожай культур. В меньшей степени обращалось внимание на изменение почвенно-экологических показателей, имеющих первостепенное значение для формирования экологической обстановки. Однако степень их изменения, как отмечают многие исследователи АмуркоГиМа (1990 – 1991 гг..), АмурКНИИ ДВО РАН (1995 г.), может быть такой значительной, что приводит к серьезному загрязнению не только почв, но и через неё - других компонентов окружающей среды, в том числе сельскохозяйственной продукции. Поэтому важно определить, как меняются и в какой степени функциональные и генетические свойства этих мелиорированных золошлаком почв.
Цель и задачи исследований. Актуальность выбранной темы исследований определила цель: изучить и оценить изменение свойств бурых лесных почв при применении золошлака в качестве химического мелиоранта при выращивании сельскохозяйственных культур в звене севооборота соя-пшеница.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи исследований: 1) охарактеризовать золошлак как мелиорант; 2) изучить влияние золошлака на водно-физические и химические свойства почв; 3) показать особенности функционирования мелиорированной почвы в агроценозе; 4) определить место вновь образованной почвы в современной классификации почв России и выполнить эколого-экономическую оценку почвы, образовавшейся в результате золошлаковой мелиорации.
Научная новизна. Впервые показано, что в процессе взаимодействия бурой лесной почвы и золошлака при определенной его дозе формируется новая почва, которую необходимо отнести к антропогенно-преобразованным буроземам, а именно – агроземам структурно-метаморфическим хемогенным (агробуроземам хемогенным).
Практическая значимость. В результате исследований установлена целесообразность внесения и оптимальные дозы золошлака Благовещенской ТЭЦ на бурых лесных почвах, выявлено его влияние на свойства почв и сельскохозяйственные растения. Установлена экономически оптимальная доза вносимого золошлака – 60 т/га. Результаты исследований могут быть использованы: при корректировке региональной классификации почв, ее антропогенных вариантов, при разработке перспективных планов рационального использования земель в народном хозяйстве, при разработке конкретных проектов золошлаковых агромелиораций тяжелых по гранулометрическому составу буроземных почв. При почвенном мониторинге необходимо выявлять и выделять золошлакованные территории. Они имеют отличающиеся от исходных пашенных и целинных почв генетические и агропроизводственные свойства.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В результате взаимодействия почвенной массы и золошлака формируется антропогенно преобразованная почва с комплексом свойств, позволяющих отнести ее к типу агробуроземов хемогенных.
2. Внесенный в буроземную почву золошлак улучшает ее химические и водно-физические свойства, чем создает более оптимальные условия для продукционных процессов в агрофитоценозе. Содержание токсических элементов в почве, в зерне и соломе выращенных сельскохозяйственных культур показывает, что это мероприятие не приводит к загрязнению почвы и выращенной на ней продукции.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на научно–практической конференции профессорско-преподавательского состава ДальГАУ (Благовещенск, 1998), международной научно-технической конференции (Благовещенск, 1999), региональных научно-практических конференциях (Благовещенск, 2005; Уссурийск, 2006) на заседании Дальневосточного отделения Докучаевского общества почвоведов России (2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов, рекомендаций производству, списка использованной литературы и 6 приложений. Работа изложена на 132 страницах, включая 19 таблиц, 22 рисунка. Список литературы включает 267 источников, из них 11 на иностранном языке.
Благодарности. Автор приносит искреннюю благодарность своему руководителю к.б.н., доценту Ю.С. Чернакову, а также за помощь и поддержку в процессе работы к. с-х. н., профессору В.И. Ознобихину, д. т. н., профессору И.С.Алексейко,, к. с-х. н., профессору В. С. Онищуку, к. с.-х. н., доценту В.Ф. Прокопчук.
Основное содержание работы
Глава 1. Накопление тяжелых металлов в растениях при
выращивние их на загрязненных почвах
Большинство методов окультуривания почв требуют ежегодного внесения мелиорантов. Одним из методов ускоренного окультуривания земель и повышения их плодородия является агрохимический метод. Он основан на структурной мелиорации почв, при которой в качестве мелиорантов используются местные отходы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности.
На Дальнем Востоке изучением золошлака, как химмелиоранта занималась кафедра земледелия Приморского сельскохозяйственного института (Серов, 1991). В результате исследований было установлено, что золошлак имеет низкую нейтрализующую способность, невысокую объемную массу (0,7 т/м3). Содержание химических элементов в золошлаке сравнимо с содержанием их в почве (Серов, 1991).
В Амурской области с 1988 г. ВНИИПТиМ было положено начало исследовательских работ по применению золошлаковых отходов Благовещенской ТЭЦ и Райчихинской ГРЭС в сельском хозяйстве в качестве мелиоранта. Опыты проводили на различных почвах (бурые лесные, лугово-черноземовидные) и с различными культурами (пшеница, овес, соя, кукуруза, картофель). Исследования влияния золошлака Благовещенской ТЭЦ и Райчихинской ГРЭС (доза внесения составляла 16,8 т/га + NPK) на лугово-черноземовидных почвах показали положительное влияние на урожайность сои и кукурузы. При этом произошло снижение всех видов почвенной кислотности и увеличение содержания подвижного фосфора в почве. Однако, после 4-х лет исследований в естественных условиях, в почве было отмечено превышение ПДК, принятых в Российской Федерации, по Sb – в 3,3 раза, по V – на 17%, по Pb – в 1,5 раза. Но при этом полученная продукция отвечала нормам пищевых стандартов (Катюшков, 1998; Онищук, 1998).
В 2000 – 2003 гг. исследования по применению золошлака Благовещенской ТЭЦ в качестве мелиоранта на лугово-черноземовидных почвах продолжили В. В. Русаков и Н. Ю. Иванова, было предложено использование высоких доз (доза внесения золошлака: 312 т/га; 625 т/га; 1250 т/га и 2500 т/га). Оптимальной дозой внесения золошлака определено 625 т/га. В результате проведенных исследований было установлено, что применение золошлака в оптимальной дозе: повышает содержание питательных элементов, снижает кислотность, улучшает водно - физические свойства. Содержание тяжелых металлов в данных почвах не превышает ОДК. Отмечено лишь превышение ПДК кадмия в полученной овощной продукции.
Глава 2. Материалы и методы
Объектом исследований послужили бурые лесные почвы, которые в общей структуре почв юга Дальнего Востока занимают 12,5%, в составе пашни – 17,4 %, а в Амурской области, соответственно, 14,7 и 25,7%. По результатам качественной оценки они оцениваются в 62 балла (Костенков, Ознобихин, 2005).
Моделирование взаимодействия золошлака с почвой при тщательном их перемешивании было выполнено в 1997 г. в вегетационном опыте в домике ВНИИ сои при широком диапазоне доз, из которых были отобраны для полевых исследований три (20, 60 и 100 т/га).
Полевые опыты проводились на бурых лесных почвах в звене полевого севооборота соя-пшеница-соя учебно-производственного хозяйства с. Грибское Благовещенского района Амурской области с 1998 по 2000 гг. Общая площадь опытного участка составляла 800 м2, площадь каждой делянки - 50 м2, учетной – 25 м2. Варианты по делянкам размещались рендомизированным методом. Повторность опыта – 4-х кратная. Схема опыта: 1) контроль (золошлак не вносился); 2) 20 т/га золошлака; 3) 60 т/га золошлака; 4) 100 т/га золошлака. В вариантах 2 - 4 золошлак вносили в 1998 году в пахотный слой почвы однократно. Его вносили после дискования поля с последующей запашкой и боронованием. Исследования проводились в звене полевого севооборота соя-пшеница-соя. Высевали сою сорта «ВНИИС-1», яровую пшеницу сорта «Амурская-75». Агротехника возделывания выращиваемых культур – общепринятая для Амурской области.
Исследования физико-химических свойств почв осуществлялось по соответствующим ГОСТам. Обменные катионы определялись по К.К. Гедройцу с трилонометрическим окончанием по прописи, изложенной в «Агрохимических методах исследования почв» (1960) и «Руководстве по химическому анализу почв» Е.В. Аринушкиной (1970). Физические и водно-физические показатели определялись общепринятыми методами ("Агрофизические методы..., ). Гранулометрический состав, плотность (объемная масса) методом режущего кольца и твердость плотномером – по Качинскому; плотность твердой фазы (удельная масса) – пикнометрический; величина максимальной гигроскопичности – по Николаеву. Предельно-полевая (наименьшая) влагоемкость определялась методом заливаемых площадок по С.И. Долгову, фильтрационные свойства – методом Канараке, влажность – термостатно-весовым методом по Роде.
Почва стационарного участка по гранулометрическому составу относится к тяжелосуглинистым. Морфологические ее особенности и исходные химические показатели соответствовуют диапазону типичных ее показателей (Иванов, 1976; Онищук, 1970; Терентьев, 1969).
В качестве мелиоранта использовался золошлак с Благовещенской ТЭЦ, свойства которого, особенно химические, были подробно исследованы нами и рядом исследователей АмурКНИИ (Беляев, 1998), Амурским филиалом ДальНИИГиМ, ВНИПТиМ (Онищук, Курдин, 1987), ДальГАУ (Туров, Чернаков, 1998; Русаков, Иванова, 2001). По гранулометрическому составу по классификации Н.А. Качинского (1958) золошлак относится к мелкозернистым пескам.
Валовые и подвижные формы содержания тяжелых металлов и радионуклидов в почве, золошлаковых, растительных образцах определялись силикатным, атомно-абсорбционным, нейтронно-активационным и спектральным методами в ФГУ ЦАС «Амурская». Экологическую оценку почвы опытного участка проводили по ОДК содержания тяжелых металлов в почве (Гигиенические нормативы …,1991).
Наблюдения в агроценозах на мелиорированных почвах планировались и выполнялись в соответствии с ОСТ 10-106-87, а данные обрабатывались методом дисперсионного анализа по «Методике полевого опыта» (Доспехов, 1985). Энергетическая и экономическая составляющие эффективности мелиорации рассчитывались по программе АИС «АГРО» в отделе экономики Дальневосточного научно-исследовательского и проектно-технологического института механизации и электрофикации сельского хозяйства (ДальНИПТИМЭСХ РАСХН). Экологическая оценка выполнялась в соответствии с разработками В.С. Онищука и Г.С. Хариной (1995) и отдела почвоведения БПИ ДВО РАН (Костенков, Ознобихин,1998).
Глава 3. Характеристика золошлака как мелиоранта
и потенциального загрязнителя
По гранулометрическому составу более 70 % масс золошлака состоит из частиц размером менее 0,5 мм. Золошлак обладает высокой полной влагоёмкостью – 89,2 % масс (табл. 1). Содержание наиболее активной фракции менее 0,25 мм колеблется в пределах 10 - 40 %. Для почв тяжелого гранулометрического состава такой компонент должен улучшать ее физические и водно-физические свойства. Как мелиорант, золошлак содержит до 38 % органического вещества (не сгоревшей буроугольной массы), в том числе 9,2% её активной части - гуминовых кислот.
Таблица 1- Характеристика основных свойств золошлака
| Показатели | Ед. измерения | Содержание по массовым данным* | Оценочные параметры | В золошлаке опыта | |
| Физические, гидрофизические свойства | |||||
| Содержание активной фракции | % мас. | 10,3-37,3 | Более 95 | 10,3 | |
| Полная влагоемкость | % мас | н.о. | Более 50 | 75,0 | |
| Коэффициент фильтрации | см/мин | н.о. | 0,5 | 0,58 | |
| Элементы питания | |||||
| Органическое вещество | % | 38,0-46,1 | 4-6 | 38,0 | |
| Гуминовые кислоты | % | 9,2** | н.д. | н.о. | |
| Фосфор | мг/кг | 1000-1130 | 50 | 1000 | |
| Калий | мг/кг | 25-184 | 20 | 113 | |
| Кальций СаO | % | 3,23-8,51 | н.д. | 5,04 | |
| Магний МgО | % | 0,73-2,23 | н.д. | 1,35 | |
| Радиационная характеристика | |||||
| Эффективная удельная активность | бк/кг | 190-460 | 200 | н.
о. | |
| Содержание цезия-137 | бк/кг | н.д. | < 600 | н.о | |
| Токсикологическая характеристика | |||||
| Класс опасности I-ый - высокоопасные | |||||
| Мышьяк As | мг/ кг | 1,6 -2,0 | 2,0*** | 2,0 | |
| Ртуть Hg | мг/ кг | - | 2,1*** | 20,5 | |
| Селен Се | мг/ кг | - | н.д. | 7.0 | |
| Свинец Pb | мг/ кг | 70 - 500 | 32*** | 23,3 | |
| Цинк Zn | мг/ кг | 39 -365 | 150**** | 107 | |
| Класс опасности II-ой - умеренно опасные | |||||
| Бор В | мг/ кг | 50- 100 | 300**** | 75 | |
| Кобальт Со | мг/ кг | 12 -65 | 70**** | 32 | |
| Никель Ni | мг/ кг | 18 - 131 | 100**** | 0,0054 | |
| Молибден Мо | мг/ кг | 1.3-10.0 | 10**** | 3.8 | |
| Медь Cu | мг/ кг | 10 - 90 | 100**** | 40 | |
| Сурьма Sb | мг/ кг | 4,5*** | 10.5 | ||
| Хром Сr | мг/ кг | 44 - 218 | 90*** | 96 | |
| Класс опасности III-ий - малоопасные | |||||
| Барий Ва | мг/ кг | 38 - 322 | н.д. | 0,146 | |
| Ванадий V | мг/ кг | 25- 100 | 150*** | 62.3 | |
| Вольфрам W | мг/ кг | н.о. | н.д. | 3.2 | |
| Марганец Mn | мг/ кг | - | 4 000**** | 1500 | |
| Стронций Sr | мг/ кг | 370 - 1130 | 300 (ОДК) | 690 | |
Примечания. н.о. - не определялись, н.д. - нет данных, * - по данным 10-45 проб из золоотвла Благовещенской ТЭЦ, **- по литературным данным из тех же золошлаков, ***- ПДК по "Порядку определения размеров ущербов от загрязнения земель...",1993, ****- ПДК по В.И. Голову (2002).
Золошлак может служить источником пополнения в почве питательных веществ – калия и фосфора, особенно на бурых лесных почвах, так как на этих почвах содержание калия обычно не превышает 12 - 24 мг на 100 г почвы (Жарикова, 2006). Как нейтрализующий материал он представляет определенный интерес. В нем содержится от 4 до 10 % суммы окислов кальция и магния.
Традиционно вызывает озабоченность радиоактивность и токсичность золошлаков. Для изученных шлаков она иногда превышает норму по эффективной удельной активности, содержанию ртути, свинца, цинка, никеля, сурьмы и хрома. Обращает на себя внимание значительные колебания большинства параметров, что требует регулярного контроля над содержанием этих элементов в каждой партии при его использовании в качестве мелиоранта.
По химическому составу используемого в опыте золошлака меньше ПДК и ОДК этих элементов в почве. Следовательно, надо полагать, что внесение золошлака в почву не может создать опасных концентраций этих элементов, учитывая еще и то, что золошлак будет разбавлен почвой, так как при внесении 100 т / га возможное разбавление составит 1: 30 раз. Как химический мелиорант он содержит большое количество балласта и крупных фракций. Для повышения его эффективности как нейтрализующего и питательного вещества, по всей вероятности, требуется размол крупных фракций с доведением их до размера 0,25 мм.
Глава 4. Изменение физических и водно-физических свойств почвы под влиянием золошлака
Как было показано выше, золошлак (ЗШ) представляет собой песок мелкозернистый. Поэтому следует ожидать изменения физических и водно-физических свойств тяжелых по гранулометрическому составу бурых лесных почв. Действительно, внесение ЗШ в дозе 60 и 100 т / га изменило гранулометрический состав всего лишь на 1 и 2 % и почвы остались в группе тяжелосуглинистых (табл. 2). Однако существенно изменилась плотность почв, что можно объяснить только физико-химическими процессами, связанными с усилением оструктуривания почвенной массы при внесении в неё кальций содержащих веществ. С уменьшением плотности по вариантам закономерно увеличивается общая порозность, полная и наименьшая (предельная полевая) влагоемкость. Внесение ЗШ положительно сказывается на величине естественной влажности. Возрастают на небольшие величины как минимальная так и максимальная естественная влажность. В засушливые периоды это положительно влияет на влагообеспеченность, так как даже 1 % влажность создает запас не менее 120 м3 / га (половина поливной нормы для тяжелых по грансоставу почв).
Таблица 2 - Влияние внесения золошлака на физические
и водно-физические свойства почвы
| Показатели | Ед. изм--ния | Оптима-льное* значение | Варианты внесения, т/га | |||||
| 0 | 20 | 60 | 100 | |||||
| Физические свойства | ||||||||
| Внесено золошлака | %мас. | - | 0 | 1 | 3 | 5 | ||
| Содержание физической глины | % | 20-30 | 42 | 42** | 41** | 40** | ||
| Гранулометрический состав | - | - | тяжелые суглинки | |||||
| Плотность (объемная масса) | г/см3 | 0,9-1,2 | 1,32 | 1,32 | 1,23 | 1,08 | ||
| Порозность общая | % об | 50-60 | 47,4 | 47,4 | 51,0 | 57,0 | ||
| Твердость | у. ед | 5,0 | 7,8 | 6,8 | 6,9 | 7,2 | ||
| Тепловой режим-сумма температур более 10°С *** | ||||||||
| Часы замеров | 13-00 | °С | н.д. | 526,9 | 531,1 | 505,1 | 504,6 | |
| 17-00 | °С | н.д. | 578,3 | 576,6 | 557,1 | 549,5 | ||
| 21-00 | °С | н.д. | 566,1 | 566,9 | 549,1 | 548,7 | ||
| Водно-физические свойства | ||||||||
| Полная влагоемкость- ПВ | %мас | >50 | 57,5 | 59,4 | 57,9 | 60,7 | ||
| Наименьшая влагоемкость - НВ | %мас | >40 | 44,3 | 47,7 | 52,5 | 54,3 | ||
| Элементы режима влажности | ||||||||
| Естественная влажность****- ЕВмин. ЕВмакс. | %мас | - | 15,4 | 16,3 | 17,4 | 18,0 | ||
| 20,6 | 21,8 | 22,6 | 23,0 | |||||
| Влагообеспеченность при ЕВмин. при ЕВ макс. | % НВ | 70-90 | 34,8 | 34,2 | 33,1 | 33,1 | ||
| 46,5 | 45,7 | 43,0 | 42,4 | |||||
| Степень водонасыщенности ЕВмин при ЕВ макс. | % ПВ | 60-70 | 26,8 | 27,4 | 30,1 | 29,7 | ||
| 35,8 | 36,7 | 39,0 | 37,9 | |||||
| Коэффициент фильтрации | см/мин | 1, 00 | 0,13 | 0,16 | 0,17 | 0,20 | ||
Примечание. * - по Костенкову и Ознобихину (2007), ** - расчетные величины, определенные, исходя из степени разбавления, *** - за период с 18 по 31.07. за 1998 -2000гг. **** - взяты минимальные и максимальные величины естественной влажности за три года наблюдений за весенний и осенний периоды.
Влагообеспеченность при естественной влажности по мере увеличения доз ЗШ снижается. Это объясняется тем, что создавшийся при мелиоративном воздействии комплекс почвенных условий (не только физических) способствует более интенсивному нарастанию биомассы и, соответственно, увеличению иссушения почвы за счет усиления водопотребления. Положительное влияние внесение ЗШ сказывается на степени водонасыщенности. Небольшое, но положительное влияние оказывает ЗШ на фильтрационные свойства почв.
Влияние золошлака на температурный режим почв (снижение суммы температур более 10 °С по мере возрастания доз) объясняется тем, что нарастание биомассы приводит к интенсивному затенению поверхности почвы формирующейся надземной частью фитоценоза и снижению теплопоступления на поверхность почвы.
Таким образом, внесение доз 60 и 100 т/га ЗШ оказывает положительное влияние на весь комплекс физических и гидрофизических свойств изученных бурых лесных почв.
Глава 5. Влияние золошлака на физико-химические и
агрохимические свойства почв
Внесение в почву такого, относительно агрессивного компонента, как ЗШ должно привести к изменению физико-химических и агрохимических свойств почв и их существенной оптимизации (табл. 3). Действительно, внесение уже 20 т/га ЗШ оптимизирует все виды кислотности - актуальную, обменную и гидролитическую. Возрастает емкость обмена, степень насыщенности основаниями за счет увеличения таких обменных катионов, как кальций и магний.
Таблица 3 - Изменение некоторых химических свойств почв при внесении
золошлака
| Показатели | Единица измерения | Оптимальное значение | Варианты внесения, т/га | |||||||||||||
| 0 | 20 | 60 | 100 | |||||||||||||
| Кислотно-щелочные условия | ||||||||||||||||
| Актуальная кислотность | рН вод. | 6,5-7,0 | 6,2 | 6,5 | 6,7 | 6,9 | ||||||||||
| Обменная кислотность | рН сол. | >5,6 | 5,5 | 6,0 | 6,1 | 6,4 | ||||||||||
| Тотальная (гидролитическая) кислотность Нг | мэкв/100 г | < 2 | 2,4 | 1,7* | 1,4* | 0,6* | ||||||||||
| Емкость обмена | мэкв/100 г | - | 20,9 | 25,1 | 24,3 | 24,2 | ||||||||||
| Степень насыщенности основаниями | % | 95 | 88,5 | 93,2 | 94,2 | 97,5 | ||||||||||
| Обменный кальций | мэкв/100 г | >20 | 15,7 | 19,3 | 19,0 | 18,9 | ||||||||||
| Обменный магний | мэкв/100 г | >5 | 2,8 | 4,1 | 3,9 | 4,7 | ||||||||||
| Сумма кальция и магния | мэкв/100 г | - | 18,5 | 23,4 | 22,9 | 23,6 | ||||||||||
| Соотношение Ca:Mg | - | < 4 | 5,61 | 4,71 | 4,87 | 4,02 | ||||||||||
| Основные питательные элементы | ||||||||||||||||
| Подвижный калий | мг/кг | 119 | 135 | 149 | 168 | |||||||||||
| Подвижный фосфор | мг/кг | 30 | 70 | 168 | 123 | |||||||||||
Их соотношение оптимизируется только при дозе 100 т/га. Повышается и обеспеченность питательными элементами. Таким образом, на бурых лесных почвах после внесения ЗШ создаются химические условия, отражающие явное повышение уровня плодородия и способствующие интенсификации биопродуктивности агрофитоценозов.
Моделирование процессов взаимодействия золошлака с почвой в вегетационном опыте (где почва и зола тщательно перемешаны) показало, что золошлак внесенный в почву даже в количестве 20 т/га изменил ее кислотность до значения близкой к нейтральной (рН солевой 6,8). В вариантах при внесении большего количества золошлака изменения рН солевого в сторону щелочности резко увеличивается. Так, при внесении 100 т/га реакция почвы становится щелочной (рН солевой 7,9). Следовательно, внесение золошлака в почву изменяет кислотность почвы довольно быстро, в первый же год внесения. Такое изменение кислотности можно объяснить, высоким содержанием кальция в золошлаке и нахождением его в легко доступной форме. Изменение рН солевого произошло от 5,2 на контроле до 7,8 - 8,0 по вариантам вегетационного опыта. Содержание калия в почве при внесении золошлака изменилось мало со 14,3 (контроль) до 15,9 (вариант 20 т/га) мг на 100 г почвы. Количество подвижного фосфора увеличилось существенно - с 6,5 (контроль) до 21,0 (100 т/га) мг 100 г почвы. Это объясняется не только тем, что элемент вноситься с золошлаком, но и тем, что при нейтрализации почвенной среды наблюдается интенсивная мобилизация почвенных фосфатов (Стрельченко, 1982).
Однако, лимитирующим широкое применение золошлаков является возможный негативный токсикологический статус по тяжелым металлам вариантов внесения золошлака. Результаты анализов основных тяжелых металлов приводятся ниже, в таблице 4. Большая часть химических элементов золошлака при внесении его в почву не достигает концентрации ОДК. Радиоактивный элемент Cs – 137 в почвенных образцах содержится в близких количествах 9,6 -9,7 бк/кг почвы на всех вариантах опыта. Следовательно, внесенный золошлак не изменяет естественную радиоактивность почвы. Прослеживается тесная прямая связь между количеством внесенного золошлака и увеличением содержания кадмия, ртути по вариантам. Так как содержание кадмия в исследуемой почве возрастает с 0,25 на контроле до 0,47 мг/кг почвы на варианте 100 т/га, но не превышает ОДК, то опасность загрязнения им исключена. Максимальное увеличение содержания свинца после внесения золошлака (100 т/га – золы) отмечено всего на 1,7 мг/кг почвы. Суммарное значение его концентрации значительно меньше ОДК, которое составляет 32,0 мг/кг почвы. Цинка в золошлаке содержится в концентрации 0,11%. При внесении в почву его содержание на варианте 100 т/га увеличивается в 1,6 раза по сравнению с контролем.
Таблица 4 – Изменение содержания в почве радиоактивных элементов
и некоторых тяжелых металлов при внесении золошлака
| Показатели | Единица измерения | Оптимальное значение | Варианты внесения, т/га | |||
| 0 | 20 | 60 | 100 | |||
| Радиоактивность | ||||||
| Радиоактивный цезий* | бк/кг | < 600 | 9,6 | 9,7 | 9,7 | 9,7 |
| Тяжелые металлы. Класс опасности I-ый | ||||||
| Кадмий | мг/ кг | <2,0 | 0,25 | 0,24 | 0,35 | 0,47 |
| %** | - | 0 | -4 | 40 | 88 | |
| Ртуть | мг/ кг | <2,1 | 0,15 | 0,25 | 0,30 | 0,37 |
| %** | - | 0 | 67 | 100 | 147 | |
| Свинец | мг/ кг | <130 | 9,16 | 9,22 | 9,81 | 10,9 |
| %** | - | 0 | 1 | 7 | 19 | |
| Цинк | мг/ кг | <220 | 13,6 | 15,5 | 25,3 | 22,2 |
| %** | - | 0 | 14 | 86 | 63 | |
| Тяжелые металлы. Класс опасности II -ой | ||||||
| Медь | мг/ кг | <132 | 4,86 | 5,25 | 5,08 | 4,72 |
| %** | - | 0 | 8 | 5 | -3 | |
Примечание. *- Cs 137, бк/кг; **- процент «прибавки» от контроля
При ОДК в почве 100 мг/кг соединения цинка, а кадмия с 0,25 до 0,47 мг/кг почвы на 4-ом варианте, где было внесено максимальное количество золошлака 100 т/га. Содержание меди в почвенных образцах на всех вариантах опыта находится практически на уровне контроля.
Глава 6. Формирование урожая сельскохозяйственных культур в зависимости от доз внесенного золошлака
Основное свойство почвы и ее главная функция – ее плодородие. За период исследований наиболее оптимальные условия для роста и развития пшеницы и сои сложились в варианте с внесением 60 т/га золошлака (табл. 5).
Таблица 5 - Продуктивность культур по вариантам опыта, т/га
| Показатели | Единица измерения | Варианты внесения, т/га | |||
| 0 | 20 | 60 | 100 | ||
| Биологическая надземная (зерно + солома) | |||||
| -соя 1-й год | т/га | 2,68 | 3,12 | 3,01 | 2,88 |
| -пшеница, 2-ой год | т/га | 3,24 | 3,12 | 3,76 | 2,71 |
| -соя 3-й год | т/га | 3,88 | 3,88 | 4,45 | 3,32 |
| Хозяйственная (зерно) | |||||
| -соя 1-й год | т/га | 1,13 | 1,26 | 1,63 | 1,45 |
| -пшеница, 2-ой год | т/га | 1,54 | 1,43 | 2,09 | 1,05 |
| -соя 3-й год | т/га | 1,95 | 1,71 | 2,40 | 1,35 |
| Соотношение зерна к соломе | |||||
| -соя 1-й год | % | 1,37 | 1,48 | 0,85 | 0,99 |
| -пшеница, 2-ой год | % | 1,10 | 1,18 | 0,80 | 1,58 |
| -соя 3-й год | % | 0,50 | 0,56 | 0,46 | 0,59 |
Если судить о характере продукционного процесса в вариантах опыта по соотношению зерна к соломе, то наиболее эффективной является доза 60 т/га золошлака, при которой это соотношение является наименьшим.
Глава 7. Токсикологическая характеристика урожая
сельскохозяйственных культур на радиоактивность
и содержание тяжелых металлов
Цезий является одним из основных источников радионуклидов в пищевых продуктах. В соломе растений цезия накапливается в количестве от 22 до 73 бк/кг, что ниже ПДК. Цезий в исследуемых образцах зерна сои и пшеницы содержится в пределах 5,5-20 бк/кг, при ПДК - в зерне сои - 70, и пшеницы - 80 бк на 1 кг зерна. Таким образом, при внесении золошлака в почву радионуклиды не накапливаются, содержание их значительно меньше ПДК.
Накопление кадмия в растениях не вызывает беспокойства. Содержание его не превышает ПДК в соломе всех исследуемых культур и в зерне пшеницы. Этот элемент более интенсивно поглощается соей 0,1 – 0,2 мг/кг и менее энергично пшеницей 0,09 – 0,1 мг/кг. Зерно сои на всех вариантах накапливает кадмия (от 0,07 до 0,1 мг/кг зерна. Следует отметить, что его накопление в зерне сои снижается при увеличении количества вносимого в почву золошлака. В зерне пшеницы его содержание составляет 0,07 - 0,06 мг/кг.
Содержание ртути в соломе на всех вариантах опыта находится в пределах 0,02 – 0,03 мг/кг, что меньше ПДК (0,05 мг/кг). Ртуть в зерне сои на вариантах опыта накапливается в количествах от 0,03 до 0,035 мг/кг зерна. В зерне пшеницы ее содержится на всех вариантах опыта в одинаковых количествах – 0,02 мг/кг. Следовательно, при внесении различных доз золошлака не наблюдается его накопление в опасных дозах. Свинца в соломе исследуемых культур накапливает в количестве (0,95 - 2,80 мг). Солома сои и пшеницы по содержанию свинца мало отличается друг от друга 0,95 – 1,86 мг/кг, что значительно меньше величины ПДК. В зерне сои свинца накапливается в количествах от 0,64 до 0,92 мг на 1 кг. При этом минимальное количество его – 0,64 мг/кг обнаружено на контроле, а максимальное – 0,92 мг/кг на варианте с дозой внесенного золошлака 60 т/га. В зерне пшеницы закономерность в накоплении свинца от увеличения дозы просматривается слабо. На контроле его содержится 0,46 мг, на 4-ом варианте - 0,36 мг. Хотя содержание свинца в зерне сои и пшеницы меньше ПДК, но и очень близко к этому значению.
Глава 8. Экономическая, энергетическая и почвенно-экологическая эффективность применения золошлака
Для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами мы использовали нормативы ориентировачно допустимых концентраций (ОДК) Согласно данным нормативам, содержание в почве токсичных элементов 1 и 2 класса опасности находится ниже ОДК для данных металлов. В целом, по шкале эколого-токсикологического нормирования оценки территории по валовому содержания тяжелых металлов, почвы относятся к 1 и 2 группам, то есть на них можно возделывать любую культуру, но с выборочным контролем качества.
При расчёте экономической эффективности применения золошлака при возделывании сои и пшеницы были приняты во внимание: затраты на доставку и внесение в почву мелиоранта, затраты на выращивание предшествующей культуры, затраты на послеуборочную доработку продукции. Расчёты проводили в системе соево–зернового севооборота. Эти данные для пшеницы представлены в таблице 7.
Таблица 7 - Энергетическая и экономическая оценка эффективности
выращивания пшеницы при использовании золошлака
| Показатели | Варианты внесения, т/га | |||
| 0 312 т/га | 20 | 60 | 100 | |
| Энергетическая оценка | ||||
| Затраты, ГДж/га | 8,6 | 9,0 | 8,7 | 8,2 |
| Урожай зерна, т/га | 1,49 | 1,88 | 1,66 | 1,00 |
| Получено энергии с основной и побочной продукцией, ГДж/га | 35,74 | 35,65 | 32,60 | 23,76 |
| Чистый энергетический доход, ГДж/га | 27,1 | 26,7 | 23,9 | 15,6 |
| Энергетическая себестоимость, ГДж/т | 5,21 | 4,31 | 4,71 | 7,34 |
| Экономическая оценка | ||||
| Затраты на выращивание, тыс. руб. | 6081,5 | 6498,9 | 6124,1 | 5598,1 |
| Себестоимость, всего тыс.руб. | 7154,7 | 7645,8 | 7204,8 | 6586,0 |
| Валовой доход, тыс. руб. | 7730,2 | 9677,8 | 8574,9 | 5274,6 |
| Рентабельность, % | 8,0 | 26,6 | 19,0 | -19,9 |
Экономическая оценка применения золошлака в качестве мелиоранта показала, что при выращивании сои рентабельность производства увеличивается. Положительная рентабельность была получена в вариантах с внесением 20 и 60 т/га золошлака (54,6 и 87,3 % соответственно). При возделывании пшеницы экономический эффект от внесения золошлака был получен в вариантах с дозами 20 и 60 т/га, где рентабельность была на 332,5 - 237 % выше, чем в контроле (8 %). Дальнейшее увеличение дозы золошлака привело к снижению рентабельности по сравнению с контролем и другими вариантами с золошлаком из-за увеличения затрат на выращивание.
При сравнении вариантов по показателям энергетической и экономической эффективности наиболее эффективным оказался вариант с применением 60 т/га золошлака.
Глава 9. Местоположение золошлакованной почвы в современной классификации почв России
Широко известная и применяемая в настоящее время классификация почв Приморья и Приамурья была разработана в 1959 году и до настоящего времени она не претерпела принципиальных изменений. К недостаткам этой классификации ее автор Г.И. Иванов (1994) относит отсутствие выделения и диагностики почв, подвергшихся различного рода антропогенно-техническим воздействиям. Он выделяет три группы процессов, протекающих в пахотной почве: 1) природные, направленные на восстановление или подержание исходных свойств целинных почв, 2)негативные, сопровождающие освоение, 3) позитивные, являющиеся целью освоения. К последним процессам, по-видимому, необходимо отнести и внесение золошлака как мелиоранта.
Как было показано в предыдущих главах, в результате внесения золошлака в верхнем горизонте пашенного бурозема (бурой лесной почвы, используемой под пашню) произошли существенные позитивные изменения. К таковым относятся: снижение всех форм кислотности, оптимизация почвенного поглощающего комплекса, основных питательных элементов, физических и гидрофизических свойств, отдельных элементов водного режима (табл. 8). Все это положительно сказалось на реализации основной функции почв, ее плодородии, выраженном в продукционном процессе. К потенциальным негативным процессам можно отнести возможное загрязнение тяжелыми металлами, которые в рассматриваемом случае не проявляется или проявляются в слабой степени.
При определении места образовавшейся почвы в общей классификации почв целесообразно, прежде всего, рассмотреть предложения по современной классификации и диагностике почв России [Шишов, Тонконогов, Лебедева и др., 2004].
Изученные нами бурые лесные целинные почвы имеют достаточно выраженный AY – серогумусовый верхний горизонт. В пашенных почвах в Р -верхний пахотный горизонт включается при перепашке и верхняя часть иллювиального структурно-метаморфического ВМ горизонта.
Таблица 8 – Сравнительная экологическая характеристика буроземов
| Показатели | Единица измерения | Естественные* (целинные) | Агроземы* | Золошла кованные |
| Современное состояние | - | широколиственные леса | пашенные угодья | мелиорированные пашенные угодья |
| Почвенный профиль | - | AY-BM-C | P- BM-C | Xm- BM-C |
| Общий диагностический горизонт | - | BM** | BM** | BM** |
| Специфический диагностический горизонт | - | AY -серогумусовый | P-агрогумусовый | Xm - химически измененный |
| Кислотно-щелочные условия | ||||
| Актуальная кислотность | рНводн | 5,4-6,5 | 6,2 | 6,7 |
| Обменная кислотность | рНсол | 4,6-6,3 | 5,5 | 6,1 |
| Гидролитическая кислотность | мэкв/ 100 г. | 2,8-12,9 | 2,4 | 1,4 |
| Степень насыщенности | % | 49-96 | 88 | 94 |
| Состояние почвенного поглощающего комплекса (обменных катионов) | ||||
| Сумма кальция и магния | мэкв/ 100 г | 7-38 | 18,5 | 22,9 |
| Соотношение Ca: Mg | - | 1,8-3,3. | 5,6 | 4.9 |
| Физические, водно-физические свойства | ||||
| Общая порозность | % объема | - | 47 | 51 |
| Наименьшая влагоемкость | % мас. | 44 | 52 | |
| Степень водонасыщенности при НВ | % от ПВ | 77 | 91 | |
| Максимальная водоотдача | мм | 18 | 6 | |
Примечание. *- структурно-метаморфические буроземные, **- иллювиальный структурно-метаморфический горизонт
При внесении золошлака существенно изменяются физико-химические свойства. Возникает необходимость включить эти вновь образованные почвы в общую схему вышеуказанной классификации. Первая реакция – отнести их к хемогенным. Однако для антропогенно-преобразованных горизонтов хемогенных почв приводиться слишком узкая трактовка. Согласно ей к таковым относиться почва, имеющая «любой горизонт а пределах верхнего 30-сантиметрового слоя, содержащий любые химические загрязнители в количестве, соответствующем чрезвычайно опасному уровню по принятым нормативам» (Шишов и др., 2004, с. 31). Если расширить этот термин и понимать под хемогенными почвами любые почвы, подвергшиеся химическому воздействию, то в эту группу будут включатся все химмелиорированные почвы, изменяющие свои химические параметры хотя бы на одну оценочную группу. В результате взаимодействия почвенной массы и золошлака из агробурозема формируется антропогенно-преобразованная почва с комплексом свойств, позволяющих отнести ее к типу агробуроземов хемогенных.
Менее радикальные предложения по классификации антропогенно измененных почв были опубликованы В.И. Ознобихиным (2001), В.И. Ознобихиным, Э.П. Синельниковым и Н.А. Рыбачук (1994) и. Ими выделяются антропогенные варианты почв в зависимости от вида и степени воздействия. Применительно к изученным нами вопросам к таковым относятся химмелиорированные. Среди них выделяются известкованные, фосфоритованные, гипсованные, унавоженные, торфокомпостные и т.д.. Однако среди них нет почв, которые изменялись бы под влиянием внесения золошлаков. Изученные нами химммелиорированные почвы предлагается называть, исходя из концепции антропогенных вариантов - «бурыми лесными почвами (буроземами) золошлакованными». По аналогии с известкованными почвами предлагается различать по времени воздействия подварианты «старо-» и «новозолошлакованные», соответственно, при более чем 5-и летнем и до 5 лет периоде после проведения мелиоративного воздействия.
Выводы
По результатам проведенных исследований установлено:
- Внесение золошлака в почву обусловливает, изменение обменной кислотности по рН солевой вытяжки в сторону близкой к нейтральной (она изменяется с рН 5,5 до рН 6,1). Актуальная кислотность снижается рН с 5,5 до 6,4. Золошлак оказывает положительное влияние на увеличения содержания питательных веществ калия и фосфора: К2О с 110 до 168 мг/кг почвы, а Р2О5 с 30 до 22 мг/кг почвы. Максимальное увеличение К2О и Р2О5 наблюдалось при внесении золошлака в дозах от 60 до 100 т/га.
- В положительную сторону изменяется водопроницаемость почвы. Она увеличивается почти в 3 раза, за счет внесенных в почву крупных фракций золошлака (0,5 - 0,25 мм), которые составляют в нем 58 %. Полная влагоемкость почвы при добавлении золошлака меняется слабо и колеблется в интервале 57,5 – 60,7 %. Предельно-полевая влагоемкость увеличивается. Наибольшее ее увеличение отмечено на 22 % при внесении золошлака в количестве 100 т/га. Объемная масса (плотность) почвы уменьшилась незначительно в вариантах с золошлаком по сравнению с контролем. Также произошло снижение твердости почвы на 8 – 12 %. Полевые исследования показали, что золошлак снижает температуру почвы, при этом разница температур составляет 1,8 °С (по сравнению с контролем).
- Внесенные со шлаком тяжелые металлы в почву «разбавляются» ее и их значение в несколько раз меньше ОДК. Установлено, что выращиваемые на почве с золошлаком культуры не содержат тяжелых металлов в количествах превышающих ПДК. Установлено, что оптимальной дозой внесения золошлака под сою и пшеницу является 60 т/га.
- Под влиянием золошлака свойства исходной пахотной бурой лесной почвы претерпели значительные изменения, что позволяет их отнести по «Классификации и диагностике почв России (2004)» к агробуроземам хемогенным.
Предложения производству
В условиях Амурской области на тяжелосуглинистых бурых лесных почвах для улучшения агрохимических и водно-физических свойств рекомендуется в качестве мелиоранта вносить золошлак в количестве 60 т/га.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном журнале
- Гребенщикова Е.А. Чернаков Ю.С., Пыхтеева М.А. Изменение свойств бурой лесной почвы при внесении золошлака в качестве мелиоранта // Агрохимия. – 2007. - №1. – С. 13-16.
Статьи, опубликованные в других периодических изданиях
2. Рак-Гребенщикова Е.А., Чернаков Ю.С., Туров А.И., Беляев Р.А..
Использование золошлаков ТЭЦ для повышения плодородия почвы // Сб. науч. тр. инженерно-строит. ин-та ДальГАУ.–Благовещенск, 1998. - С. 56-59.
3. Рак-Гребенщикова Е.А., Чернаков Ю.С., Туров А.И.. Золошлаки Благовещенской ТЭЦ как возможное минеральное удобрение // Сб. науч. тр. инженерно-строит. ин-та ДальГАУ. – Благовещенск, 2001. – Вып. 5. – С. 12-16.
Работы, опубликованные в материалах региональных,
всероссийских и международных конференций
4. Рак-Гребенщикова Е.А., Чернаков Ю.С., Туров А.И., Беляев Р.А.. Золошлаки ТЭЦ как источник возможного пополнения в почве элементов питания растений // Тез докл. междун. научно-технич. конференции. – Благовещенск: ДальГАУ, 1999. - С. 68-71.
5. Гребенщикова Е.А., Чернаков Ю.С., Пыхтеева М.А.. Влияние золошлаков бурых углей Благовещенской ТЭЦ на свойства почвы при внесении их в качестве удобрения // Рудничная аэрология и вентиляция: Первая Всерос. научно-технич. интернет конференция: матер. конф. ТулГУ. – Тула, 2005. – С. 81-83.
6. Гребенщикова Е.А., Чернаков Ю.С., Туров А.И., Пыхтеева М.А. Влияние золошлака на свойства почвы при внесении его в качестве удобрений // Проблемы экологии и рационального использования природных ресурсов в Дальневосточном регионе: Материалы региональной на учно-практической конф. - Благовещенск: БГПУ, 2004. — Том 1. - С. 109 - 113.
7. Гребенщикова Е.А. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях при внесении золошлаков в качестве удобрений // Молодые ученые агропромышленноу комплексу Дальневосточного Федерального округа: Матер. регион. науч.-практич. конференции ДальГАУ. – Благовещенск, 2005. – С. 33-35.
8. Гребенщикова Е.А., Ознобихин В.И., Чернаков Ю.С.. Золошлакованные почвы в современной классификации почв России // Проблемы земельного законодательства, рационального землеустройства и природообустройства, ресурсного почвоведения в Дальневосточном Федеральном округе: Регион. науч.-практич. конференция. – Уссурийск: ПГСХА, 2006. - С. 110-116.
