Эффективность применения гуматов и углегуминовых удобрений под яровую пшеницу на почвах, загрязненных кадмием и цинком
На правах рукописи
Зубченко Евгения Борисовна
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГУМАТОВ И УГЛЕГУМИНОВЫХ УДОБРЕНИЙ ПОД ЯРОВУЮ ПШЕНИЦУ НА ПОЧВАХ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ КАДМИЕМ И ЦИНКОМ
06.01.04 - АГРОХИМИЯ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Барнаул - 2006
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет» на кафедре почвоведения и агрохимии
Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Антонова Ольга Ивановна
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Спицына Светлана Федоровна
кандидат химических наук, доцент
Ананьева Юлия Станиславовна
Ведущая организация: ФГУ ЦАС «Кемеровский»
Защита диссертации состоится « 28 » декабря 2006г. в 9 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.220.002.01 в Алтайском государственном аграрном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан «25» ноября 2006г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор биологических наук,
профессор В.А. Рассыпнов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из важных условий жизни сельскохозяйственных растений и получения высоких урожаев является наличие в почве достаточного количества в оптимальном соотношении макро- и микроэлементов и отсутствие в почвенном растворе элементов, отрицательно влияющих на развитие растений. В результате снижения объемов внесения минеральных и органических удобрений в Алтайском крае наблюдается нарушение баланса основных питательных элементов и в т.ч. микроэлементов. Отмечается рост площадей почв с кислой реакцией среды, что вызывает увеличение подвижности ряда тяжелых металлов и в т.ч. кадмия, наиболее опасного для живых организмов. И в то же время почти все пахотные почвы низко обеспечены подвижным цинком. Вследствие этого идет недополучение продукции и снижение ее качества.
В связи с этим предлагается использовать нетрадиционные органические удобрения, и в первую очередь, гуминовые, получаемые в Алтайском крае из бурых углей. Преимущество, которых заключается в их свойствах в малых дозах оказывать положительное влияние на развитие сельскохозяйственных культур.
Гуминовые кислоты, основа этих видов удобрений, влияют на физиологические процессы, способствуя лучшему усвоению элементов питания почвы сельскохозяйственными культурами, повышают устойчивость их к неблагоприятным условия произрастания, особенно в начальный период развития растений.
К достоинствам гуминовых удобрений можно отнести также способность их снижать концентрацию тяжелых металлов в почве, быстрее разлагать гербициды и ядохимикаты, что привлекает к себе внимание в связи с повышенной техногенной нагрузкой территории исследований – близость промышленного центра с развитой химической промышленностью (г.Бийск) и автомобильной трассой федерального значения.
Цель исследований: определить эффективность применения гуматов кальция, натрия, калия и углегуминового удобрения под яровую пшеницу на выщелоченных черноземах лесостепной зоны и при их загрязнении кадмием и цинком.
Задачи исследований:
1. Установить особенности аккумуляции и миграции кадмия и цинка в профиле почвы при загрязнении на уровне 2ПДК.
2. Оценить влияние гуминовых удобрений на изменение валового содержания, подвижных форм кадмия и цинка и изменение степени их подвижности.
3. Определить влияние гуминовых удобрений на урожайность яровой пшеницы и их действие на фоне загрязнения почвы кадмием и цинком.
4. Установить уровень накопления кадмия и цинка в товарной части продукции при загрязнении почвы и внесении гуминовых удобрений.
5. Изучить влияние загрязнения почвы и гуминовых удобрений на качество зерна яровой пшеницы.
6. Определить экономическую эффективность применения гуминовых удобрений под яровую пшеницу на выщелоченных черноземах при загрязнении их кадмием и цинком.
Научная новизна. Впервые на выщелоченных черноземах лесостепной зоны Алтайского края установлено влияние гуминовых удобрений, производимых из местного сырья, в условиях наведенного загрязнения на урожайность яровой пшеницы, уровень накопления тяжелых металлов в зерне и качество продукции. Определено влияние гуминовых удобрений, внесенных в почву в разных дозах, на распределение кадмия и цинка в почвенном профиле в течение 3-х лет после загрязнения и на потребление яровой пшеницей элементов питания.
Защищаемые положения:
1. Загрязнение выщелоченных черноземов лесостепной зоны кадмием и цинком на уровне 2ПДК приводит к накоплению их в почве, повышает доступность для яровой пшеницы и снижает урожайность зерна и качество продукции.
2. Внесение гуминовых удобрений в почву изменяет распределение кадмия и цинка в корнеобитаемом слое, влияет на их подвижность и снижает негативное действие загрязнения почвы на формирование урожайности яровой пшеницы и ее качество.
Практическая значимость работы.
Углегуминовое удобрение, производимое в ОАО «Полиэкс» (г.Бийск) может быть использовано для внесения в почву под яровую пшеницу, как в условиях загрязнения ее кадмием и цинком, так и без него.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на межрегиональной научно-практической конференции «Гуминовые удобрения и стимуляторы роста в сельском хозяйстве» (2002), на научно-практических конференциях агрономического факультета АГАУ (2003, 2004), на научно-практической конференции «Молодежь Барнаулу» (2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, содержит 20 таблиц, 5 рисунков и 4 приложений. Список литературы состоит из 210 наименований, из них 9 на иностранных языках.
Глава 1. Значение гуминовых кислот в минеральном питании и развитии растений
Глава посвящена обзору литературных данных о роли гуминовых кислот в питании и развитии растений. Оценена эффективность применения гуминовых удобрений под сельскохозяйственные культуры. Рассмотрено получение гуминовых удобрений и возможность их использования для детоксикации почв.
Глава 2. Условия, объекты и методы исследований
Район исследования расположен в пределах Бие-Чумышской возвышенности и входит в лесостепную зону.
Наиболее распространены в зоне исследований выщелоченные черноземы, развивающиеся на лессовидных суглинках и аллювиальных отложениях (более 80% почвенного покрова).
Исследования по изучению эффективности действия гуминовых удобрений на выщелоченных черноземах проведены в СПК «к-з Буланихинский» Зонального района в 2000- 2004гг. Почва опытного участка – чернозем выщелоченный среднемощный малогумусный среднесуглинистый.
В соответствии с рекомендациями ЦИНАО, пахотный горизонт почвы опытного участка характеризуется низким содержанием гумуса – 5,57%, слабокислой реакцией среды – 5,1, высокой обеспеченностью фосфором – 157,0 мг/кг, повышенной калием – 96,0 мг/кг. Сумма поглощенных оснований (31,3 мг-экв/100г.), степень насыщенности основаниями (91%). Валовое содержание кадмия в пахотном слое почвы составляет 0,33 мг/кг, цинка – 46,50 мг/кг, подвижная форма (ААБ р-р, рН 4,8) кадмия и цинка – 0,07 и 1,70 мг/кг соответственно.
В полевом опыте моделировали искусственное загрязнение почвы путем внесения водорастворимых солей кадмия (CdSO4), цинка (ZnSO4) в дозе 2ПДК (ЦИНАО).
Опыт заложен в 3-х повторностях. Площадь каждой опытной делянки 1м2. Схема опыта предусматривала наблюдения в течение 3-х лет после загрязнения почвы и внесения гуминовых удобрений. Гуминовые удобрения: гумат Са, гумат Na, гумат К и углегуминовое удобрение получены из окисленного бурого угля Солтонского разреза Алтайского края. Дозы гуматов составили 50 и 100 кг/га, а углегуминового удобрения 100, 200, 300 кг/га. Используемые дозы взяты с учетом результатов исследований для дерново-подзолистых почв и опытов на черноземных почвах колочной степи Алтайского края.
Для наблюдения за показателями почвенного плодородия на опытном участке отбирались смешанные образцы почвы перед посевом и по окончании вегетации яровой пшеницы в трехкратной повторности. Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почве изучалось дважды за сезон, путем отбора образцов с глубины 0-20, 20-40, 40-60 см. При уборке урожая были взяты образцы зерна с каждой делянки варианта для определения содержания тяжелых металлов, химического и качественного состава зерна.
Все химические анализы почвы и растений проведены в аккредитованной испытательной лаборатории ФГУ САС «Бийская». В почвенных образцах определяли содержание гумуса, подвижного Р2О5, обменного К2О, N-NО3, рНсол., сумму поглощенных оснований, гидролитическую кислотность согласно нормативным документам: ГОСТ 26913-91, ГОСТ 26487-85, ГОСТ 26951-86, ГОСТ 26483-85, ГОСТ 27821-88, ГОСТ 26212-91. В растительных образцах определяли показатели качества и основные элементы питания (содержание клейковины, белка, азота, фосфора, калия) по ГОСТ 13979.1-68, ГОСТ 13496.4-84, ГОСТ 13586.1-68, ГОСТ 26657-85.
Определение валового содержания и подвижной формы тяжелых металлов в почве проводилось по «МУ по определению тяжелых металлов…» (1992). Подвижные формы извлекались ААБ р-ом с рН 4,8. Минерализация растительных проб осуществлялась методом сухого озоления (ГОСТ 26657-85) с последующей кислотной экстракцией тяжелых металлов из золы (Методические указания…, 1989). Содержание тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах было определено на атомно-абсорбционном спектрофотометре С-115 по методу А.И.Обуховой и И.О.Плехановой (1991).
Учет урожайности проводили сноповым методом со всей делянки с последующим обмолотом.
Статистическая обработка результатов исследований осуществлялась методом дисперсионного анализа по Б.А.Доспехову (1985).
Погодные условия в годы проведения исследований изменялись в широких пределах. Наименьшее количество осадков выпало в 2004 г., в этом же году отмечались наиболее высокие среднесуточные температуры. Наиболее благоприятные погодные условия для яровой пшеницы сложились в 2001 и 2003 гг., когда количество осадков превысило среднемноголетнюю норму и ГТК был равен 1,25-1,28. Самым увлажненным являлся 2002 г. – количество осадков превысило среднемноголетние данные в 2 раза, ГТК был равен 1,85.
Глава 3. Влияние нетрадиционных гуминовых удобрений на
содержание кадмия и цинка в почве
Валовое содержание кадмия и цинка в почве
В результате наших исследований получены данные трех лет прямого действия, трех лет 2-го года и трех лет 3-го года действия загрязнения почвы тяжелыми металлами и влияния гуминовых удобрений.
Содержание кадмия и цинка в незагрязненной почве в слое 0-60 см в среднем за три года представлено в таблице 1. Естественное валовое содержание кадмия и цинка находится в пределах ПДК и не превышает фоновых концентраций, установленных Л.М.Бурлаковой, О.И.Антоновой и др. (2001).
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в почве опытного участка
| глубина, см | Кадмий | цинк | валовое содержание элемента в почве с.Буланиха, Зон. р-на, мг/кг (Бурлакова, Антонова и др.,2001) | ПДК по ЦИНАО, мг/кг | ||||||
| валовой, мг/кг | подвижный, мг/кг | степень подв., % | валовой, мг/кг | подвижный, мг/кг | степень подв., % | |||||
| Cd | Zn | Cd | Zn | |||||||
| 0-20 | 0,36 | 0,03 | 8,3 | 50,4 | 1,61 | 3,2 | 0,30 | 72,3 | 0,60 | 87,0 |
| 20-40 | 0,60 | 0,03 | 5,0 | 51,9 | 1,81 | 3,5 | - | - | - | - |
| 40-60 | 0,32 | 0,02 | 6,2 | 45,8 | 1,32 | 2,9 | - | - | - | - |
Загрязнение почвы привело к повышению валового содержания кадмия и цинка во всем исследуемом почвенном профиле 0-60 см. Максимальное количество кадмия (77%) обнаруживается в слое 0-20 см – 13,54 мг/кг, при 0,27 мг/кг на контроле. Накопление кадмия в корнеобитаемом слое 0-40 см в год загрязнения превышает фоновое в 21 раз, а ПДК – в 13 раз. Наблюдается также незначительная его миграция по профилю почвы, с концентрацией в слое 40-60 см – 2,36 мг/кг. На второй и третий год после загрязнения происходит снижение валового кадмия, за счет вымывания и выноса растениями. Так, за три года действия, в слое 0-20 см его содержание снизилось на 89%, в слое 20-40 см – на 50%, в слое 40-60 см – на 63%.
Наибольшая аккумуляция цинка в слое 0-20 см наблюдается только в первый год, его содержание составило 153,5 мг/кг, что превысило ПДК. В последействии уже на второй год оно достигает фонового значения, и распределение цинка по профилю становится более равномерным.
Внесение гуминовых удобрений на фоне загрязнения почвы кадмием и цинком способствует перераспределению их в почве. В год внесения удобрений и в среднем за 3 года действия загрязнения содержание тяжелых металлов оказалось ниже, чем при одном загрязнении (рис.1,2), при этом отмечается их более равномерное распределение по профилю с убыванием вниз, чем на варианте одного загрязнения.
В год загрязнения большим фиксирующим действием в отношении кадмия обладают гумат Na и гумат Са в обеих дозах, при этом гумат Na и гумат Са в дозе 50 кг/га через три года способствовали большему очищению корнеобитаемого слоя почвы от кадмия. Гумат К, вероятно оказывает влияние на миграционную способность кадмия, т.к. по этому удобрению отмечено снижение валового кадмия на третий год наблюдений ниже ПДК.
Рис. 1. Содержание валового кадмия по вариантам опыта и по горизонтам (среднее за 3 года действия)
Увеличение содержания валового цинка отмечено в первый год по большим дозам углегуминового удобрения и гумата Са (148,4 и 134,3 мг/кг соответственно). В среднем за три года действия загрязнения и гуминовых удобрений большим фиксирующим действием обладает углегуминовое удобрение в дозе 300 кг/га. По этому варианту, а также по варианту гумата К отмечено и большее снижение валового цинка в последействии.
Рис. 2. Содержание валового цинка по вариантам опыта и горизонтам (среднее за 3 года действия)
Изменение подвижных форм кадмия и цинка по вариантам опыта в профиле почвы и в зависимости от последействия загрязнения
Общее содержание тяжелых металлов в почвах дает представление лишь о потенциальной опасности загрязнения, которая может реализоваться при определенных условиях. В растения из почвы поступают только мобильные соединения химических элементов, поэтому важно рассматривать подвижные формы металлов (Ильин, 1990, Никушина, 1994). Попавшие в почву тяжелые металлы, прежде всего их мобильная форма, претерпевают различные трансформации. Один из основных процессов, влияющих на их судьбу в почве – закрепление органическим веществом.
Содержание подвижного кадмия при загрязнении сосредоточено в основном в слое почвы 0-20 см и составляет 1,88 мг/кг, что превышает показатель фонового содержания в 94 раза. При этом вследствие высокой миграционной способности кадмия 31%, от всего содержания подвижной формы в профиле, обнаруживается в слое 20-40 см. В последействии (на второй год) миграция кадмия из пахотного и подпахотного горизонта снижается и содержание его подвижной формы в слое 40-60 см составляет всего 9%, что может быть связано с изменением условий увлажнения. На третий год опять наблюдается значительная миграция его по всему изучаемому профилю.
Для цинка, учитывая его дефицитность в изучаемых почвах, повышение содержания его подвижной формы при загрязнении не такое значительное, как по кадмию – всего 14 раз. В слое 0-20 см в первый год оно составляет 36,18 мг/кг, а на третий год – 7,92 мг/кг. В среднем за три года отмечена аккумуляция подвижного цинка в верхних горизонтах – 51-63% (0-20 см) и 21-34% (20-40 см) от общего содержания по профилю почвы.
Внесенные гуминовые удобрения проявляют себя как фиксаторы тяжелых металлов (рис.3). Большим удерживающим действием, в год внесения, по отношению к кадмию обладают гумат К в обеих дозах и гумат Na в дозе 100 кг/га, в то же время только гумат К в дозе 50 кг/га 60% подвижной формы фиксирует в слое 0-20 см, а по вариантам гумата К и гумата Na в дозе 100 кг/га наблюдается равномерное распределение его по почвенному профилю. Гумат Са в обеих дозах больше всего фиксирует кадмий в слое 0-20 и 20-40 см – 87-88% всей подвижной формы. Углегуминовое удобрение во всех дозах и гумат Na в дозе 50 кг/га проявляют сходное влияние, при аккумуляции кадмия в слое 0-20 см наблюдается равномерное его распределение в почвенной толще. В последействии по большинству вариантов с внесением гуминовых удобрений подвижный кадмий фиксируется в слое 0-20 см (44-62%), в средней части изучаемого профиля – от 24 до 38%, в нижней (40-60 см) – от 11 до 29%.
Рис. 3. Содержание подвижного кадмия по вариантам опыта и по горизонтам (среднее за 3 года действия)
Гуминовые удобрения способствуют переводу цинка в доступное для растений состояние. По всем вариантам отмечается большее накопление подвижной его формы, по сравнению с вариантом одного загрязнения (на 13%), при этом 56-67% его подвижной формы находится в слое 0-20 см (рис.4).
Рис. 4. Содержание подвижного цинка по вариантам опыта и горизонтам (среднее за 3 года действия)
Превышение содержания подвижной формы кадмия в верхнем корнеобитаемом сорокасантиметровом слое над естественным содержанием, при загрязнении почвы тяжелыми металлами в дозе 2 ПДК (в среднем за 3 года действия), составляет 27 раз, при внесении гуминовых удобрений эта величина уменьшается в 1,2 раза. Для цинка эта величина одинакова и по варианту одного загрязнения и по вариантам внесения всех гуминовых удобрений, составляя в среднем - 8 раз. Можно отметить, что кадмий, являясь наиболее опасным загрязнителем в почве, имеет большую степень доступности для растений. На фоне гуминовых удобрений он, связываясь их органическими компонентами, оказывается в малодоступной для растений форме, цинк, при этом, меньше зависит от органического вещества.
Определение степени подвижности изучаемых металлов в связи с применением гуминовых удобрений и сроком их последействия
Способность почвы связывать тяжелые металлы в малоподвижные и малодоступные для живых организмов формы и обеспечивать низкие концентрации их в почвенном растворе можно рассматривать как буферную способность (Пампура и др., 1993). Как содержание тяжелых металлов в почве, так и их подвижность тесно связаны с органическим веществом и реакцией среды почвенного раствора.
При загрязнении почвы степень подвижности кадмия в слое 0-20 см составляет 13,1% и увеличивается с глубиной. При загрязнении почвы цинком степень подвижности увеличивается еще в большей степени – до 23,6% в первый год в слое 0-20 см и изменяется более равномерно по профилю, в сравнении с кадмием.
При совместном внесении кадмия и цинка с гуминовыми удобрениями подвижность их увеличивается, что способствует их миграции по почвенному профилю, либо большему поглощению растениями.
По степени подвижности кадмия в корнеобитаемом слое 0-40 см, вносимые гуминовые удобрения в первый год их действия можно расположить в следующий ряд:
гумат Са-50<гумат Са-100<углегум.-300<углегум.-200<гумат Na-100< 2ПДКСd<углегум.-100<гумат Na-50<гумат К-100<гумат К-50
В среднем за три года действия загрязнения и гуминовых удобрений этот ряд несколько изменяется, но общая тенденция сохраняется.
Среди гуминовых удобрений гумат Са в обеих дозах и углегуминовое удобрение в больших дозах (200 и 300 кг/га), как слабо растворимые в воде, способствуют снижению подвижности кадмия в почве, но в последействии по этим вариантам отмечено ее увеличение (за счет его высвобождения из комплекса с органическим веществом). Гумат К и гумат Na, наоборот хорошо растворимые, увеличивают подвижность кадмия, его миграцию и доступность для растений, как в год загрязнения, так и в последействии.
Цинк оказывается наиболее подвижным по вариантам с внесением гумата Na в дозе 100 кг/га (75,6% в слое 0-20 см), в первый год действия, и углегуминового удобрения в дозе 200 кг/га (48,3%). Гумат Са в обеих дозах и углегуминовое удобрение в дозе 300 кг/га, также как и у кадмия снижают подвижность цинка в корнеобитаемом слое 0-40 см. Для цинка выявлено уменьшение степени подвижности при снижении его содержания в почве.
В целом, сравнивая изучаемые элементы, цинк оказывается менее подвижным, чем кадмий как при одном загрязнении, так и при внесении гуминовых удобрений.
Глава 4. Формирование урожайности яровой пшеницы при загрязнении почв и применении гуминовых удобрений
Влияние гуминовых удобрений на формирование урожайности
В условиях недостаточного внесения минеральных и органических удобрений для получения высоких урожаев яровой пшеницы эффективно использование гуминовых препаратов и биостимуляторов, что подтверждается литературными данными.
Наши исследования показали, что гуминовые удобрения являются эффективным средством повышения урожайности яровой пшеницы. Урожайность в среднем по всем вариантам гуминовых удобрений за три года составила 16,9 ц/га, при 15,3 ц/га контроля.
Среди гуминовых удобрений лучшее стабильное действие проявляет углегуминовое удобрение, в первый и третий годы действия получены наибольшие прибавки, составившие в сумме по всем дозам 5,4 и 6,9 ц/га. При этом следует отметить, что именно доза 300 кг/га оказывается более эффективной – суммарная урожайность за 3 года 54,6 ц/га, при 46,0 ц/га на контроле (табл.2), прибавка равна 8,6 ц/га. Во второй год действия удобрений наибольшая прибавка (3,7 ц/га) получена по обеим дозам гумата К. Гумат Na хорошо проявил себя только в первый год действия, в последействии отмечается снижение урожайности. Применение гумата Са на насыщенных основаниями почвах оказывается менее эффективно. Для всех удобрений сохраняется зависимость повышения урожайности от больших доз: для гуматов кальция, натрия, калия более эффективными являются дозы 100 кг/га, в сравнении с 50 кг/га. Для углегуминового удобрения доза 300 кг/га лучше, чем 100 и 200 кг/га.
Таблица 2
Суммарная урожайность яровой пшеницы на фоне гуминовых удобрений и загрязнения тяжелыми металлами (за 3 года), ц/га
| фон | Вариант | |||||||||
| 2ПДК | гСа-50 | гСа-100 | гNa-50 | гNa-100 | гК-50 | гК-100 | угл.-100 | угл.-200 | угл.-300 | |
| без загрязнения | 46,0 | 47,1 | 50,9 | 49,7 | 52,7 | 48,9 | 53,2 | 49,5 | 50,6 | 54,6 |
| загрязнение кадмием | 39,4 | 41,4 | 45,9 | 42,7 | 42,9 | 39,1 | 42,5 | 41,9 | 48,7 | 46,9 |
| загрязнение цинком | 43,8 | 42,7 | 48,0 | 43,2 | 44,0 | 47,0 | 49,9 | 46,1 | 48,0 | 51,6 |
Влияние загрязнения почвы кадмием и цинком на формирование урожайности зерна в течение трех лет после загрязнения
Загрязнение почвы тяжелыми металлами оказывает влияние на формирование урожая и качество продукции. Выявлено, что токсичные элементы, накапливающиеся в растениях, до определенного предела не оказывают отрицательного влияния на продуктивность сельскохозяйственных культур. Получен также эффект от использования биологически активных веществ с целью снижения негативного влияния загрязнения почвы на рост и развитие зерновых злаковых культур и формирование урожайности.
Среди изучаемых элементов кадмий оказывает большее отрицательное влияние на продуктивность яровой пшеницы. Нашими исследованиями выявлена обратная средняя связь между содержанием подвижного кадмия в слое 0-60 см и урожайностью (r= -0,60) в первый год загрязнения, в последействии этой зависимости не обнаружено. Загрязнение почвы кадмием вызывает снижение урожайности с первого года до 10,1 ц/га, по сравнению с 12,2 ц/га контроля, т.е. на 17,2%. В последействии наблюдается снятие отрицательного эффекта от загрязнения кадмием, снижение урожайности происходит на 11%. В сумме за три года исследований по этому варианту недополучено 6,6 ц/га (табл.2).
В то же время цинк, внесенный в дозе 2ПДК, действует как элемент, находящийся в дефиците в почве и проявляющий свойства жизненно необходимого микроэлемента – урожайность зерна в первый год не снижается. При этом не выявлено тесной связи между содержанием подвижного цинка с урожайностью (r=0,23). В сумме за три года исследований снижение урожайности от внесения цинка составляет 2,2 ц/га.
Все гуминовые удобрения нивелировали отрицательное влияние кадмия на продуктивность яровой пшеницы, и в результате ее урожайность была выше, чем по варианту одного загрязнения. В год загрязнения и внесения гуминовых удобрений лучше проявилось положительное действие углегуминового удобрения в дозах 200 и 300 кг/га (средняя за три года урожайность 13,5 и 12,6 ц/га соответственно) и гумата Са в дозе 100 кг/га (13,2 ц/га за три года прямого действия). В последействии наблюдается увеличение урожайности по всем вариантам опыта, в сравнении с вариантом одного загрязнения. Оценивая влияние гуминовых удобрений при загрязнении почвы кадмием по суммарной урожайности за все время исследований, отмечается, что только внесение углегуминового удобрения в дозах 200 и 300 кг/га позволило получить урожайность яровой пшеницы выше контроля (48,7 и 46,9 ц/га соответственно, при 46,0 ц/га на контроле). При использовании гумата Са в дозе 100кг/га урожайность была на уровне контрольного варианта (45,9 ц/га).
Большинство гуминовых удобрений на фоне загрязнения цинком оказало положительное влияние на повышение урожайности яровой пшеницы (табл.2). Наибольшие суммарные прибавки, по сравнению с контролем, получены по вариантам углегуминового удобрения в дозе 300 кг/га (5,6 ц/га), гумата К и гумата Са в дозах 100 кг/га (3,9 и 2,0 ц/га соответственно).
Глава 5. Влияние гуминовых удобрений на накопление
кадмия и цинка в зерне яровой пшеницы при загрязнении
Накопление изучаемых металлов в товарной части продукции
(зерне)
Растения являются более тонким индикатором загрязнения среды, чем почва. Несмотря на то, что некоторые элементы в микродозах играют положительную роль в жизни растений увеличение их концентрации вызывает определенную опасность. Поэтому очень важно изучить динамику накопления соединений этих металлов и равновесие их различных форм в системе «почва – растение» (Бурлакова и др., 2001).
Зерновые культуры характеризуются относительно низким уровнем накопления тяжелых металлов и других токсикантов в продуктивных органах. При этом кадмий даже при слабом загрязнении почвы накапливается в растениях выше нормы, что связано с высокой мобильностью его в почве (Постников, 1994). Цинк, относящийся к группе микроэлементов, необходимых для растений, в высоких концентрациях, также может быть токсичным для растений (Ильин, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Следует отметить, что ряд авторов установили положительное действие малых доз кадмия и цинка и угнетающее действие высоких.
В наших опытах содержание тяжелых металлов в зерне яровой пшеницы сорта Лютесценс 25 на контрольном варианте составляет: кадмия – 0,014 мг/кг, цинка – 26,07 мг/кг, что соответствует приведенным данным, представленными разными авторами, и оказывается меньше ПДК для зерновых (0,1 и 50,0 мг/кг соответственно).
Загрязнение почвы водорастворимыми солями тяжелых металлов повышает содержание их в зерне. Уровень кадмия составляет в среднем 0,038 мг/кг. В последействии происходит его снижение: на второй год до 0,031 мг/кг, и на третий год до 0,019 мг/кг (табл.3).
Таблица 3
Действие гуминовых удобрений при загрязнении почвы на накопление
тяжелых металлов в зерне и показатели качества зерна яровой пшеницы
| вариант | содержание в зерне, мг/кг | среднее за 3 года | ||||||
| кадмий | цинк | содержание клейковины,% | содержание белка,% | |||||
| 1г.д. | 3г.д. | 1г.д. | 3г.д. | на фоне загрязнения | на фоне загрязнения | |||
| Кадмий | цинк | кадмий | цинк | |||||
| контроль | 0,011 | 0,018 | 27,72 | 24,52 | 19,9 | 19,9 | 14,56 | 14,56 |
| 2 ПДК | 0,038 | 0,019 | 45,08 | 28,11 | 20,3 | 20,3 | 15,04 | 14,79 |
| гСа-50 | 0,033 | 0,018 | 40,06 | 25,41 | 20,8 | 20,5 | 15,00 | 14,69 |
| гСа-100 | 0,030 | 0,018 | 39,38 | 21,15 | 20,2 | 20,2 | 14,84 | 14,63 |
| гNa-50 | 0,035 | 0,018 | 40,76 | 22,21 | 20,6 | 20,1 | 15,11 | 14,53 |
| гNa-100 | 0,034 | 0,016 | 43,55 | 21,38 | 20,7 | 20,5 | 14,89 | 14,84 |
| гК-50 | 0,036 | 0,017 | 41,69 | 22,94 | 20,1 | 20,7 | 15,15 | 14,80 |
| гК-100 | 0,035 | 0,015 | 39,92 | 21,51 | 20,4 | 20,7 | 15,04 | 14,48 |
| угл.-100 | 0,032 | 0,016 | 40,31 | 17,53 | 20,7 | 21,0 | 14,99 | 14,78 |
| угл.-200 | 0,027 | 0,014 | 46,67 | 22,22 | 20,7 | 20,4 | 14,56 | 14,90 |
| угл.-300 | 0,031 | 0,012 | 37,71 | 22,15 | 20,9 | 20,6 | 14,71 | 14,42 |
Внесение гуминовых удобрений на фоне загрязнения почвы кадмием несколько снижает содержание его в зерне пшеницы, но остается повышенным, по сравнению с контролем, по всем вариантам. Уровень накопления кадмия в зерне пшеницы тесно коррелирует с содержанием его подвижной формы в почве (r=0,94) и со степенью подвижности (r=0,77) только в первый год загрязнения. В последействии эта зависимость снижается и на третий год не выявляется связи между анализируемыми данными (r= -0,16). В год загрязнения и внесения гуминовых удобрений гумат Na и гумат К способствуют большему накоплению кадмия в зерне и меньше его накапливается по вариантам гумата Са и углегуминового удобрения, что связано с различной способностью удобрений переводить тяжелые металлы в доступные для растений формы. На третий год при внесении гуминовых удобрений, по всем вариантам опыта, уровень кадмия в зерне пшеницы близок к таковому по варианту одного загрязнения (0,019 мг/кг).
Содержание цинка в зерне пшеницы увеличивается при загрязнении почвы относительно контроля (27,72 мг/кг), составляя 45,08 мг/кг. Уровень его накопления в год загрязнения не превышает ПДК, в тоже время в последействии его количество снижается до фоновой концентрации 24,52 мг/кг. На фоне гуминовых удобрений отмечено снижение уровня накопления цинка в зерне. Гумат Na в дозе 100 кг/га и углегуминовое удобрение в дозе 200 кг/га способствуют большему его потреблению.
Таким образом, несмотря на повышенное содержание кадмия и цинка в почве и превышение ПДК, в течение трех лет наблюдений накопление в зерне не превышает допустимого уровня, как по вариантам одного загрязнения, так и на фоне гуминовых удобрений.
Формирование показателей качества зерна (содержание белка, клейковины, азота, фосфора, калия) по вариантам опыта
Качество зерна во многом определяется уровнем поступления в растение азота, фосфора и калия. Содержание азота в зерне контрольного варианта составило 2,56%, фосфора – 0,95%, калия – 0,44%. При внесении гуминовых удобрений наибольшее увеличение азота в зерне пшеницы произошло по вариантам углегуминового удобрения в дозе 100 кг/га и гумата Na в обеих дозах - на 0,07 и 0,03% соответственно, относительно контроля. В среднем за годы исследований отмечено снижение фосфора по вариантам внесения гуминовых удобрений от 0,04 до 0,02%. По большинству вариантов содержание калия находится или на уровне контроля или несколько ниже.
Содержание клейковины, на контроле, колеблется от 16,8 до 22,4%, при среднем за все годы исследований – 19,9%. Ее количество тесно связано с ГТК: в более увлажненные годы наблюдается снижение содержания клейковины (r=-0,85). Внесение гуминовых удобрений повышает содержание клейковины на 2-5% (наибольшее увеличение по вариантам гумата Са в дозе 50 кг/га, гумата Na в обеих дозах, углегуминового удобрения в дозе 200 кг/га). При этом увеличение содержания белка происходит на 1,1-3,6% (наибольшее по вариантам гумата Na в дозе 100 кг/га, углегуминового удобрения в дозах 100 и 300 кг/га).
Загрязнение почвы кадмием и цинком приводит к увеличению содержания азота в зерне и не оказывает влияние на содержание фосфора и калия, при этом также увеличивается содержание клейковины и белка.
При внесении гуминовых удобрений и загрязнения кадмием и цинком наблюдается увеличение содержания азота. Антагонизм фосфора и кадмия, в результате которого происходит снижение накопления фосфора в зерне, по-видимому, сильнее проявляется на фоне гуминовых удобрений: по большинству вариантов отмечается снижение уровня фосфора. Загрязнение почвы кадмием при внесении гуминовых удобрений снижало также и накопление калия. Несмотря на то, что в литературе имеется достаточно сведений о снижении фосфора на фоне цинковых удобрений в наших исследованиях загрязнение почвы цинком и внесение гуминовых удобрений не изменяет уровень накопления фосфора в зерне, а содержание калия оказывается незначительно меньше контрольного варианта.
При одном загрязнении кадмием содержание клейковины увеличивается до 21,7%, при 19,9% контроля (табл.3). По всем вариантам внесения гуминовых удобрений отмечается повышение содержания клейковины в среднем до 22,3%, т.е. на 10-13%. Для первого года загрязнения выявлена тесная связь между содержанием кадмия в зерне и содержанием клейковины (r=0,67). Углегуминовое удобрение во всех изучаемых дозах, гумат Na в дозе 100 кг/га и гумат Са в дозе 50 кг/га оказывают наибольшее повышающее действие на клейковину. В последействии отмечается снижение ее содержания, на третий год в среднем до уровня контроля, в то время как по вариантам гумата Са, гумата Na, углегуминового удобрения 200 и 300 кг/га ее содержание выше контроля.
Внесение гуминовых удобрений на фоне загрязнения кадмием не снижает содержания белка в зерне во все годы наблюдений, в среднем за три года действия оно увеличивается на 4,4%. Наибольшее повышение отмечено по вариантам с гуматом К в дозе 50 кг/га и гуматом Na в дозе 50 кг/га – на 6% и только по этим вариантам получено более высокое содержания белка в зерне, относительно одного загрязнения.
Увеличивается содержание клейковины и белка по всем вариантам внесения гуминовых удобрений и загрязнения цинком, в среднем на 3%, большее повышение клейковины наблюдается по варианту углегуминового удобрения в дозе 100 кг/га, белка – по вариантам углегуминового удобрения в дозе 200 кг/га, гумата Na в дозе 100 кг/га.
Несмотря на незначительные изменения в составе питательных элементов и показателей качества зерна яровой пшеницы, при загрязнении почвы Cd и Zn наблюдается изменение в соотношении элементов питания растений. Загрязнение кадмием в большей степени оказывает влияние на изменение элементного состава растений, чем цинком, что подтверждается проведенными исследованиями.
Глава 6. Экономическая эффективность внесения гуминовых удобрений на выщелоченных черноземах при загрязнении их
кадмием и цинком
Наибольший эффект обеспечивает внесение углегуминовых удобрений: чистый доход составляет 2312-2711 рублей, при 2018 руб. на контроле. В то время как по вариантам различных гуматов он равен 204-1348 руб. или ниже контроля.
Загрязнение почвы кадмием снижает доход до 1649 руб., а цинком – до 1876 руб. или на 142-369 руб. ниже контроля. Применение гуматов и углегуминовых удобрений при загрязнении почв сопровождается повышением уровня рентабельности и окупаемости затрат только при использовании углегуминовых удобрений.
Выводы
1. Загрязнение приводит к увеличению, валового содержания кадмия до 13,54 мг/кг и цинка до 153,5 мг/кг. Подвижный кадмий увеличивается с 0,02 до 1,88 мг/кг, а цинк – с 1,4 до 36,18 мг/кг. При этом и кадмий и цинк в год загрязнения в большей степени аккумулируются в верхнем горизонте. В последействии цинк мигрирует в нижележащие горизонты и его распределение по профилю становится более равномерным, а 45% валового кадмия остается зафиксированным в слое 0-20 см.
2. Гуминовые удобрения снижают валовое содержание металлов в корнеобитаемом слое почвы, способствуя их миграции в нижележащие горизонты.
3. На фоне загрязнения превышение подвижной формы кадмия над фоновым содержанием составляет 94 раз, по цинку, учитывая его дефицитность в изучаемых почвах, превышение – 14 раз. Гуминовые удобрения снижают подвижность кадмия и увеличивают подвижность цинка.
4. В незагрязненной почве степень подвижности кадмия выше, чем цинка. Загрязнение увеличивает степень подвижности изучаемых металлов, при этом подвижность цинка увеличивается в большей степени, в сравнении с кадмием
5. Гумат Са в обеих дозах, углегуминовое удобрение в дозе 200, 300 кг/га снижают подвижность кадмия, а гумат К в обеих дозах и гумат Na в дозе 50 кг/га повышают. Цинк оказывается более подвижным на фоне гумата Na в дозе 100 кг/кг и углегуминового удобрения в дозе 200 кг/кг, в то время как гумат Са в обеих дозах и углегуминовое удобрение в дозах 100 и 300 кг/га снижают его подвижность.
6. На выщелоченных черноземах лесостепной зоны углегуминовое удобрение в первый год оказывает наибольшее влияние на продуктивность яровой пшеницы, а гумат К проявляет себя в последействии. Выявлена зависимость повышения урожайности при внесении больших доз удобрений.
7. Большее отрицательное влияние на урожайность яровой пшеницы оказывает загрязнение почвы кадмием, по этому варианту, в сумме за 3 года, недополучено 6,6 ц/га. Цинк в первый год не снижает продуктивности яровой пшеницы и только в последействии отмечено ее небольшое снижение (на 2,2 ц/га).
8. По вариантам гуминовых удобрений на фоне загрязнения тяжелыми металлами получена более высокая урожайность. В год загрязнения кадмием более эффективно углегуминовое удобрение в дозе 300 кг/га. При загрязнении цинком большие прибавки получены по вариантам углегуминового удобрения в дозе 300 кг/га, гумата Са и гумата К в дозах 100 кг/га.
9. Уровень накопления кадмия и цинка в зерне при загрязнении не превышает ПДК. Содержание изучаемых металлов в зерне тесно связано с содержанием подвижной его формы в почве только в первый год загрязнения (r=0,87-0,94). Гумат Na и гумат К увеличивают подвижность кадмия и способствуют его накоплению в зерне. Гумат Са и углегуминовое удобрение, наоборот, снижают его подвижность и препятствуют его накоплению в товарной продукции. Для цинка гумат Na в дозе 100 кг/га и углегуминовое удобрение в дозе 200 кг/га способствуют большему его потреблению.
10. Используемые гуминовые удобрения увеличивают содержание азота, белка и клейковины в зерне пшеницы, не влияют на накопление калия и незначительно снижают поступление фосфора. Загрязнение почвы кадмием и цинком и внесенные гуминовые удобрения способствуют еще большему поступлению азота в растения, изменяют соотношение питательных элементов (N : Р : К) и увеличивают содержание клейковины и белка.
11. Из всех изучаемых гуминовых удобрений только внесение углегуминового удобрения в почву обеспечивает получение чистого дохода и повышения рентабельности производства зерна яровой пшеницы как на незагрязненных выщелоченных черноземах, так и при их наведенном загрязнении. Применение гуматов Са, Na, К особенно в дозах 100 кг/га неэффективно.
Предложения производству
На выщелоченных черноземах лесостепи под яровую пшеницу можно рекомендовать для повышения продуктивности и качества зерна углегуминовое удобрение в дозах 100-300 кг/га.
По материалам диссертации опубликованы следующие работы:
1. Рейнер П.А., Скокова О.В., Альбах Е.Б. О возможности внесения гуматов натрия, калия, кальция и углегуминовых удобрений в почву // Мат-лы 2-ой межрег. научно-практ. конф. «Гуминовые удобрения и стимуляторы роста в сельском хозяйстве».- Барнаул, 2002.-с.41-49.
2. Антонова О.И., Зубченко Е.Б., Скокова О.В. Эффективность использования гуматов при загрязнении почв тяжелыми металлами // Вестник АГАУ.- Барнаул, 2003, №2.- с.21-26.
3. Зубченко Е.Б., Дымова Л.В. Накопление тяжелых металлов в почве и в зерне яровой пшеницы // Агрохимический вестник, 2006, №5.- с.24-25.
