Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическое состояние пахотных почв Адыгеи по активности радионуклидов 137Cs и 90Sr, содержанию тяжелых металлов и последействию удобрений

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическое состояние пахотных почв Адыгеи по активности радионуклидов 137Cs и 90Sr, содержанию тяжелых металлов и последействию удобрений"

На правах рукописи

СХАШОК Фатима Юсуфовна

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПАХОТНЫХ ПОЧВ АДЫГЕИ ПО АКТИВНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ 137Св И "вг, СОДЕРЖАНИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ПОСЛЕДЕЙСТВИЮ УДОБРЕНИЙ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

6 ИЮН 2013

Владимир — 2013

005060985

005060985

Работа выполнена на кафедре экологии и защиты окружающей среды Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Майкопский государственный технологический университет»

Научный руководитель: Ашинов Юнус Нухович

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Мазиров Михаил Арнольдович

доктор биологических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет-МСХА им. К.А. Тимирязева, заведующий кафедрой земледелия и методики опытного дела Комарова Надежда Анатольевна кандидат биологических наук, ФГБУ ЦАС «Владимирский», начальник отдела

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Защита состоится 13 июня 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.07 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, корпус 1, ауд. 335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, можно присылать по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, кафедра экологии. ,

Автореферат разослан 8 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, у/

кандидат биологических наук, доцент Сахно О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. В настоящее время большое внимание уделяется экологической чистоте сельскохозяйственной продукции, которая непосредственно связана с экологическим состоянием пахотных почв. Загрязняющие вещества, поступающие в наземные экосистемы, включаются в биогеохимические циклы миграции и аккумулируются в почве. Из почвы они частично поглощаются корнями и поступают в различные части растений, которые представляют пищевую и кормовую ценность. В последние десятилетия возрастает загрязнение природной среды искусственными радионуклидами 1 7Сэ и зд8г вследствие глобального распределения продуктов испытания ядерного оружия, плановых и аварийных выбросов радиоактивных веществ предприятиями атомной промышленности, АЭС, радиохимическими заводами; а также естественными радионуклидами, которые попадают в почву с фосфорными и калийными удобрениями. Однако относительный вклад от применения удобрений в дополнительную дозу облучения живых организмов очень мал (менее 0,01 % суммарного естественного радиоактивного фона) и не создает опасности повышения общего радиоактивного фона пахотного слоя (Алексахин, 1991, 2006; Минеев, 1999; Прицеп и др., 1997). Но удобрения способны задерживать поступление искусственных радионуклидов и тяжелых металлов из почвы в корневую систему и в надземную массу растений. Минеральные удобрения оказывают максимальное положительное действие в ряду агрохимических фонов на дерново-подзолистой почве: минераль-ный>органо-минеральный>органический (Лебедева, Соловьева, 2008). Калий и кальций ингибируют поступления 137Сз и 908г в культуры агроэкосистем. Но с другой стороны, повышенные концентрации азота в почве могут приводить к отравлению людей и животных, попадать в грунтовые воды и вызывать эвтрофикацию водоемов. Внесение в почву азотных удобрений способствует уменьшению озонового слоя, активизируя ряд процессов: микробиологическая активность — денитрификация — диоксид азота. Содержание фосфора в почве также влияет на денитрификацию (Большая Энциклопедия Нефти Газа Егорова, Никитишен, 1993; Никитишен и др., 1997). Таким образом, оценка действия удобрений на урожай сельскохозяйственных культур важна не только с точки зрения их рационального применения, но и защиты окружающей среды. Эффекту последействия удобрений в черноземной зоне уделялось гораздо меньше внимания, в отличие от дерново-подзолистых почв (Егоров, 2007, 2008 и др.). Поэтому исследование остаточного действия удобрений, как возможного регулятора их баланса в почве, представляется актуальным в условиях глобального загрязнения почв. Мониторинг загрязняющих веществ в почве и внесения удобрений актуальны для земледельческих регионов, к которым относится Республика Адыгея.

Цель работы — оценить экологическое состояние пахотных почв Адыгеи по активности радионуклидов '"Сб и 903г, содержанию тяжелых металлов и по остаточному действию минеральных удобрений.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить удельную активность |37Сэ и 90 Б г, как показателя техногенного загрязнения пахотных почв Адыгеи и растений.

2. Рассчитать коэффициенты накопления радионуклидов в озимой пшенице и влияние на эти процессы типа почвы: лугово-черноземные и черноземы выщелоченные.

3. Оценить степень загрязнения пахотных почв тяжелыми металлами.

4. Провести анализ динамики урожайности сельскохозяйственных культур (зерновые, свекла, масличные) и внесения минеральных удобрений за период с 1971 по 2010 гг. с целью выявления периода последействия удобрений.

5. Оценить период последействия минеральных удобрений для пахотных почв в условиях максимального и минимального их внесения.

Научная новизна работы. Предложено использовать многолетнюю динамику удельной активности радионуклидов |37Сз и ®°8г в почвах и содержания тяжелых металлов для оценки техногенного загрязнения черноземов выщелоченных и лугово-черноземных почв Адыгеи, а также для составления прогнозных моделей.

Предложено учитывать остаточное действие минеральных удобрений в хозяйственной деятельности Адыгеи как дополнительного фактора снижения загрязнения окружающей среды. Вьщелено 4 этапа в земледельческой деятельности каждого административного района: 1971-1985 гг. - наращивание объёмов вносимых удобрений со 100 до 150 кг/га пашни; 1985-1990 гг. - увеличение доз до 200 кг/га и выше; 1991-1995 гг. - снижение вносимых доз удобрений с 200 кг/га до 10 кг/га и 1995-2010 гг.-повышение доз до 50 кг/га д.в.

Установлено, что последействие минеральных удобрений зависит от их дозы и типа почв. На лугово-чернозёмах и чернозёмах выщелоченных влияние высоких доз (30-40 кг/га д.в.) проявляется в течение 5-6 лет, низких (10 кг/га д.в.) - 1-2 года.

Защищаемые положения:

1. Удельная активность П7Св и 908г в черноземах выщелоченных и лугово-черноземных почвах Адыгеи составляет 5-15 и 15-20 Бк/кг соответственно. Достоверного влияния типа почвы на поглощение 131 Сб и 90Бг озимой пшеницей не обнаружено. Озимая пшеница характеризуется низкими коэффициентами поглощения радионуклидов: '"Сэ - 0,13 (зерно) и 0,30 (солома), ^г- 0,20 (зерно) и 0,44 (солома).

2. Пахотные почвы Адыгеи не загрязнены тяжелыми металлами, что делает их ценными для сельскохозяйственного производства. Однако это не отменяет необходимости мониторинговых наблюдений за состоянием почв, поскольку отмечено повышение содержания в них тяжелых металлов и их подвижных форм. Гранулометрический состав черноземов выщелоченных влияет на аккумуляцию тяжелых металлов.

4. На основе агрохимических'показателей пахотных почв дана балльная оценка их качества для каждого района Адыгеи. Районы располагаются в порядке улучшения агрохимических свойств почв следующим образом: Теучежский (балл 1,5) = Майкопский (1,5) < Гиагинский (1,8) < Тахтамукайский (1,9) < Ко-шехабльский (2,1) < Красногвардейский (2,4) < Шовгеновский (2,5).

5. Период последействия высоких доз удобрений (30-40 кг/га), когда в последующие годы наблюдается рост урожайности зерновых культур при снижении количества внесенных удобрений, составляет 5-6 лет, низких (<10 кг/га) -1-2 года.

Практическая значимость работы.

1. Предложен новый подход к оценке хозяйственной деятельности административного района на основе многолетней динамики объёмов применения удобрений и урожайности сельскохозяйственных культур. Он дает возможность установить эффективность использования минеральных удобрений и период их последействия в каждом районе.

2. Материалы исследований могут быть использованы специалистами в области экологии, агрохимии и почвоведения при:

- планировании и проведении мероприятий по комплексному экологическому мониторингу состояния окружающей среды;

- планировании севооборотов и доз вносимых удобрений;

- разработке мероприятий по ограничению землепользования по экологическим условиям;

- оценке качества пахотных почв административного района.

3. Предложенная концепция оценки последействия удобрений позволяет оптимизировать дозы их применения с целью предотвращения снижения урожайности сельскохозяйственных культур и предохранения почв от их избыточного количества.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на региональной научно-практической конференции «Экономические, социальные и экологические пути развития Южного региона» (г. Белореченск, 2011); III международной научно-практической конференции «Наука, образование и инновации для АПК: состояние и перспективы» (ФГБОУ ВПО «МГТУ» Республика Адыгея, Майкоп, 2011); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012» (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2012); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Стратегическое направление устойчивого развития социально-экономической и экологической политики Южного региона» (г. Белореченск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Совместно с руководителем выбрана тема исследований и разработана программа их проведения. Лично автором проведен отбор и анализ почвенных образцов, статистических данных по сельскохозяйственной деятельности в Адыгее; выполнен анализ полученных данных и интерпретация результатов, написана и оформлена диссертационная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Содержит 164 страницы текста, 38 рисунка, 30 таблиц. Список использованных источников включает 123 наименования, в том числе 2 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Загрязнение пахотных почв Республики Адыгея (обзор литературы)

1.1. Загрязнение пахотных почв естественными и искусственными радионуклидами. Представлен обзор научных публикаций по радионуклидам в почвах и растениях. Отмечено что в связи с глобальным загрязнением окружаю-

щей среды в почвах продолжают накапливаться радионуклиды техногенного происхождения. Особое внимание уделяется проблеме их распространения в пахотных почвах. Тип и свойства почв влияют на их аккумуляцию в верхних горизонтах и поступление в сельскохозяйственные культуры. Удобрения снижают транслокацию радионуклидов и тяжелых металлов в растение (Минеев, 1999; Алексахин, 1991, 2006; Кайрамбаев, 2006; Лекунович, 2005; Мешкинова, Пузанов, 2011; Рахимова, 2001; Мажайский и др., 2010; Карпухин и др., 2008; Санжа-рова и др., 2006; Воробьев, Чумаченко и др., 2002).

1.2. Экологическая роль удобрений в почве, геосистемах и ландшафтах, эффект их остаточного действия. В данной главе представлен обзор публикаций по применению удобрений: дозы, типы; связь с урожайностью сельскохозяйственных культур; зависимость от климатической зоны, почвенного покрова, свойств почвы. Показаны положительная и отрицательная стороны внесения удобрений в почву, рассмотрены пути вовлечения в биологический круговорот элементов, входящих в их состав (Добровольский, Никитин, 1990; Шеуджен и др., 2005, 2006; Ашинов и др., 2007, 2009, 2008; Минеев, 2004; Му-равин, Титова, 2003; Кирюшин, 1996, 2006; Ганджара, 2001; Карпачевский, 2007; Никитишен и др., 1997). Особое внимание уделено механизму последействия удобрений в почве. Показано, что в СССР вносили высокие дозы удобрений, и не представлялось возможности проанализировать их остаточное действие, и лишь в постперестроечный период в связи с резким сокращением объёмов внесения удобрений такая возможность появилась. Подробно рассмотрены особенности почв и почвенного покрова Краснодарского края и Республики Адыгеи (Колесников, 2011; Вальков, 1957; Вальков и др., 2004, 2012; Елисеева, 1983, 1985, 2000; Ашинов и др., 2005, 2006, 2007 и др.). Особое внимание уделено почвенно-геохимическим особенностям почвенного покрова Республики Адыгея как регулятора функции остаточного действия удобрений в почве.

Глава 2. Объекты, методы исследования и особенности физико-географических условий Республики Адыгея

Среди почв республики 85-90 % представлены черноземами выщелоченными малогумусными сверхмощными, слитыми черноземами и лугово-черноземными почвами тяжелосуглинистого и среднеглинистого гранулометрического состава (Ашинов, 2007; Елисеева, 2000). Среднее содержание гумуса в пахотном горизонте 3,4-3,6%, рН 6-7. Несмотря на высокую влаго-емкость, черноземы (особенно слитые) имеют небольшие запасы продуктивной влаги и высокий коэффициент завядания. Они охватывают большую часть посевных площадей Гиагинского, Красногвардейского, Теучежского, Тахтамукайского и Шовгеновского районов.

В 2010-2012 гг. были проведены работы по определению физических и химических свойств пахотных почв. Заложены 11 почвенных разрезов на типичных участках пашни в каждом административном районе. Химические (содержание общего гумуса, рН, сумма обменных катионов) и физические свойства почвы (плотность, водопроницаемость) проводили согласно общепринятым методикам (Практикум по агрохимии, 2001; Воробьева, 1998; Теория и методы физики почв, 2007).

В радиусе 100-200 м от реперных разрезов были заложены прикопки глубиной 30-40 см (36 прикопок по 6 в каждом районе) для отбора почвенных образцов на определение радионуклидов |37Сз и ^йг в верхнем 10-см слое. На этих же полях отбирали образцы озимой пшеницы (зерно и солому). Для определения тяжелых металлов отбирали образцы почвы с 2-х глубин: 0-5 см и 15-20 см. Содержание тяжелых металлов определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии він НЫОз, в которую переходит 70-90 % всех металлов почвы, и их доступных форм він СН3СООЫН4.

В качестве источников информации по удобрениям и урожайности сельскохозяйственных культур в районах Адыгеи послужили данные государственного комитета Российской Федерации по статистике за период с 1971 по 1997 гг. и данные Ю.Н. Ашинова (2008) за период с 1995 по 2010 гг. Дозу внесения удобрений рассчитывали на 1 га пашни.

Статистическую обработку результатов проводили в программе «Зіаіів-1:іса-6.1».

Природные условия Республики Адыгея.

Уникальность Адыгеи проявляется в почвенно-климатическом и биологическом разнообразии — мягкий умеренный климат, близость незамерзающих Черного и Азовского морей, исключительное разнообразие рельефа и почвенного покрова. Немногие уголки России имеют такое природное разнообразие территорий. Республика Адыгея расположена на территории северных склонов предгорья Северо-Западного Кавказа (44° 30'-45°сш и 38°40'-2° вд), занимает площадь 7,8 тыс. кв. км. Основная ее часть расположена в низменной Прику-банской долине по течению рек Кубань, Лаба и Белая. Территория республики охватывает степную, предгорную лесостепную, горную лесную, субальпийскую и альпийскую зоны (пояса). Такое многообразие условий с самого начала предусматривает определенную дифференциацию экономики в зависимости от природной зоны, ее многоотраслевой уклад (рис. 1).

Административный центр Республики Адыгея — г. Майкоп. Выделены следующие административные единицы: г. Майкоп, г. Адыгейск, Гиагин-ский, Кошехабльский, Красногвардейский, Майкопский, Теучежский, Тахта-мукайский, Шовгеновский районы. На протяжении всей административной границы Республика Адыгея граничит с Краснодарским краем.

Рельеф территории Республики Адыгея разнообразен: равнинный, предгорный, горный. Климат республики умеренно-теплый. Среднегодовая температура колеблется от 3,8 до 10,9°С. Осадков выпадает около 700 мм в год.

Республика располагает большими запасами водных ресурсов: рек, озер, водохранилищ, ледников, источников подземных вод. Созданы Шап-сугское, Шенджийское и крупнейшее на Северном Кавказе Краснодарское водохранилище, которое после заполнения слилось с Тщикским водохранилищем. К сожалению, от Краснодарского водохранилища началось подтопление окружающей территории, формируются переувлажненные почвы. Создание большой площади водохранилищ, а также ликвидация большого лесного массива стала причиной резкого изменения климата. Изменился водный режим почв, небольшие речки начали высыхать, ежегодно десятки гектаров чернозема уходят под чашу водохранилища.

(Южно-Российский региональный кадастровый центр «Земля», Майкоп 1999 г.).

Точками указаны места отбора почвенных образцов

Состояние почвенного покрова более детально будет рассматриваться в следующей главе.

Глава 3. Радионуклиды и тяжелые металлы в почвах и сельскохозяйственных растениях Адыгеи.

Удельная активность радионуклидов в пахотных почвах Адыгеи незначительна: в среднем 3-15 Бк/кг, но в 1996-1997 гг. обнаружилось заметное и достаточно резкое увеличение активности 137Св и ч08г в пахотных почвах и соответственно в растениях (Ашинов, 2008). Это заставляет вести постоянный мониторинг почв на предмет содержания в них радионуклидов.

Анализ динамики содержания '"Се и 908г за 1991-2012 гг. показал, что в 1996-1997 гг. в почвах Адыгеи количество этих радионуклидов резко возросло; но уже к 2011-2012 гг. снизилось до 20 Бк/кг. На этот же период приходится и резкое увеличение количества9^. В период 1996-2012 гг. его содержание в почвах удерживалось на одном уровне. В 2012 г., несмотря на то, что в среднем количество этого элемента не увеличилось, выявлены значительные различия почв по его содержанию: интервал составил 0-40 Бк/кг, что показывает как резкое загрязнение отдельных территорий, так и очищение других (рис. 2).

Миграционные свойства 137Сз и 908г в почве и их накопление в сельскохозяйственных растениях зависят от вида растений, типа почв, их механического состава, кислотности среды, содержания гумуса и внесения удобрений (Тихомиров, 1983; Алексахин и др., 1991, 2006; Минеев, 1999 и др.). В связи с этим необходимо выявить влияние типа почв (черноземы выщелоченные и лугово-черноземные почвы) на транслокацию радионуклидов в наземные органы озимой пшеницы (зерно и солома).

Рисунок 2. Динамика размаха удельной активности 137Сб и ®°8г в пахотных почвах Адыгеи

Коэффициент поглощения П1Сб озимой пшеницей (Кп = Бк/кг сухой культуры / Бк/кг сухой почвы) очень низкий и одинаковый как на черноземах выщелоченных, так и на лугово-черноземных почвах: 0,13-0,14 для зерна озимой пшеницы (табл. 1). Для соломы Кп выше на лугово-черноземных почвах (0,36 Бк/кг). ^йг поглощается растением немного больше, т.к. он характеризуется большей подвижностью в почвах по сравнению с '"Сб. Скорость его миграции в модельных экспериментах и в полевых условиях возрастает с увеличением содержания обменного кальция и увеличением кислотности (Бударников и др., 1992). Практически в пахотных почвах Адыгеи есть все условия для повышенной миграции ^Бг из почвы в растение', обменного кальция в почвах предостаточно (20-45 мг-экв/100 г), слабокислая реакция среды (рН 6-7). Влияния типа почв (чернозем выщелоченный, лугово-черноземная почва) на подвижность радионуклидов не обнаружено. Максимальные значения Кп |37Сз и 8г характерны для соломы озимой пшеницы, где их накапливается почти в 2 раза больше, чем в зерне (табл. 1).

Таблица 1

Кп радионуклидов в озимой пшенице на разных типах почв

Почва уи8г и/Сз

зерно солома зерно солома

Чернозем выщелоченный 0,19 ±0,16 0,43 ±0,35 0,13 ± 0,08 0,29 ±0,14

Лугово-черноземная почва 0,21 ±0,10 0,44 ±0,32 0,14 ±0,10 0,36 ±0,28

Таким образом, в настоящее время удельная активность |37Св и 908г в пахотных почвах и растениях озимой пшеницы на территории Адыгеи низкая и не оказывает негативного влияния на качество зерна. Однако следует более внимательно относиться к повышению концентрации стронция в почве и растениях, т.к. его ПДК ниже, чем 137Св в 100 раз.

Распределение тяжелых металлов в почвах Белореченского района Краснодарского края и Майкопского района Республики Адыгея.

Почвенный покров Адыгеи и Кубани представлен мощными черноземами выщелоченными, слитыми и лугово-черноземными почвами тяжелосуглинистого и глинистого гранулометрического состава. Они находятся в сельскохозяйственном пользовании уже в течение последних 200 лет. В пределах края имеются также

промышленные предприятия, источники загрязнения окружающей среды. Поэтому почвы могут накапливать некоторые металлы, поступающие с местных предприятий и также из других районов. Поскольку выращиваемые культуры (зерновые, подсолнечник, рапс и др.) представляют ценность как пищевой продукт для человека, то обследование почв на содержание тяжелых металлов (ТМ) актуально. Тяжелые металлы также могут попадать в почву вместе с органическими удобрениями.

Обычно загрязняющие вещества, поступившие в почву аэральным путем, аккумулируются в верхнем 0-5-см слое, подстилке и дернине. Однако в пахотных почвах черноземов выщелоченных с мощным гумусовым горизонтом такой зоны не выделяется, элементы равномерно распределены в слое 0-20 см. Сравнение двух почвенных слоев пахотного горизонта (0-5 см, и 15-20 см) показали, что по содержанию металлов различия недостоверны (табл. 2). Незначительный аккумулирующий эффект на поверхности почв отмечен для Мп, Со, Сг, 2п: их содержание в слое 0-5 см на 5-7% выше. Для других элементов распашка почв приводит к равномерному их распределению в слое 0-20 см, что свидетельствует о периодичности поступления этих элементов. Обращает внимание близость показателей среднего и медианы, что характерно для однородных пахотных горизонтов. Таким образом, в пахотных черноземах происходит «разбавление» загрязнителей в почвенной массе, что снижает эффект их токсичности.

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в пахотных почвах, мг/кг

Элемент Слой почвы, см Элемент Слой почвы, см

0-5 5-20 0-5 5-20

Ре 3382 ±618 3541 ± 524 Сг 5,3 ± 1,6 4,9 ± 1,5

Мп 407 ±81 401 ± 68 гп 21,0 ±6,0 19,3 ±4,1

Со 9,2 ±2,3 8,7 ± 1,8 Сс1 0,71 ±0,27 0,70 ± 0,26

№ 19,7 ±5,1 20,1 ±4,6 РЬ 15,6 ± 3,8 15,2 ±3,7

Си 18,5 ±6,1 18,4 ±7,1

Содержание тяжелых металлов в пахотных почвах зависит от их гранулометрического состава: в глинистых почвах оно выше, чем в суглинистых

Рисунок 3. Содержание тяжелых металлов (медиана) в пахотных почвах Адыгеи в зависимости от гранулометрического состава

Таким образом, пахотные почвы Республики Адыгеи не загрязнены тяжелыми металлами, что делает их ценными для сельскохозяйственного производ-

ства. Показано, что пахотные почвы по общему содержанию тяжелых металлов и подвижных их форм не относятся к загрязненным. Однако это не отменяет мониторинговые исследования за состоянием почв. Напротив, их обязательно следует проводить, поскольку тяжелые металлы в почве накапливаются, и возрастает содержание их подвижных форм (рис. 4).

Гранулометрический состав черноземных почв определяет и их аккумулирующую способность к тяжелым металлам. Следует также отметить, что концентрация таких элементов, как Ыц Си, Сс1, РЬ близка к ПДК, что заставляет уже сейчас думать об ограничении поступления этих элементов в окружающую среду. Низкая концентрация других элементов не означает отказ от мониторинга за их содержанием.

■л г Й ¡1

и! ЕЙ а Й! Iй ¡¿1 _ ц* Ш

Рисунок 4. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах (СН3СООЫН4 рН 4,8)

Глава 4. Многолетняя динамика урожайности сельскохозяйственных культур и дозы вносимых удобрений.

Основным направлением в земледелии Адыгеи является производство зерна. В структуре посевных площадей преобладают зерновые и кормовые культуры. Анализ урожайности сельскохозяйственных культур показывает, что она в хозяйствах не носит стабильного характера. Насколько удобрения влияют на урожай, показывает анализ многолетней динамики урожайности и доз вносимых удобрений в каждом районе за период 1971-2010 гг.

Все данные были разделены на две группы: советский период (19711997 гг.) и постсоветский (1997-2010 гг.), поскольку они резко отличаются по количеству внесенных удобрений. В советский период дозы внесения минеральных удобрений доходили до 300 кг/га д.в., но чаще они составляли 100200 кг/га д.в. В постсоветское время (1997-2010 гг.) количество вносимых удобрений резко снизилось и не превышало 60 кг/га д.в., а в среднем составляло около 30 кг/га д.в. (рис. 4).

За период с 1971 по 1995 гг. удобрения вносили, вероятно, по одинаковой схеме, поскольку отмечается одна и та же динамика в почвах каждого района Адыгеи, разница лишь в абсолютных значениях. Это связано с плановым ведением хозяйства и распределительной системой и особенностями почвенного покрова.

По объёмам вносимых удобрений выделены 4 периода (рис. 4): I. 1971-1985 гг. - период постепенного наращивания доз удобрений: с 100 до 150 кг/га д.в. на 1 пашни (исключение — Кошехабльский район, в котором 1978 г. доза удобрений снизилась до 10 кг/га д.в.).

И. 1985-1990 гг. - период максимального внесения удобрений: более 200 кг д.в. на 1 га пашни. В 1987-1988 гг. вносилось во всех районах максимальное количество удобрений 200-270 кг/га.

III. 1991-1995 гг. - период резкого снижения вносимых доз удобрений с 200 до 10-50 кг д.в. на га пашни.

IV. 1995-2010 гг. -дозы вносимых удобрений повысились до 50 кг/га д.в.

с 1971 по 1997 годы: 1 -Гиагинский, 2 —Кошехабльский, 3 - Красногвардейский,

4 - Майкопский, 5 - Теучежский, 6 - Шовгеновский. Пунктиром обозначены границы периодов по внесению разных доз удобрений

Таким образом, по объемам внесения удобрений в Адыгее выделяются два крупных периода: советский — с внесением удобрений в количестве 100250 кг/га и постперестроечный - менее 60 кг/га д.в. Дальнейший анализ системы «удобрения-растения» ведется по этим двум периодам раздельно.

Динамика урожайности сельскохозяйственных культур и средних доз внесенных удобрений.

Для анализа данных были выделены 3 варианта совместной динамики урожайности зерновых и доз внесения удобрений: 1 — когда количество внесенных удобрений увеличивается или же уменьшается, при неизменности урожайности, или наоборот: урожайность может возрастать или снижаться при постоянной дозе удобрений; 2 - однонаправленная динамика, когда урожайность и количество внесенных удобрений меняются в одном направлении: урожайность зерновых возрастает с увеличением удобрений или же снижается с их уменьшением; 3 - разнонаправленная динамика, когда с увеличением дозы удобрения урожайность снижается и наоборот. В советский период, когда регулярно вносились высокие дозы удобрений, варианты с однонаправленной динамикой урожая и доз внесения удобрений встречаются чаще (табл. 3).

Таблица 3.

Встречаемость вариантов динамики урожайности зерновых культур и доз внесенных минеральных удобрений в почвы Адыгеи за период 1971-1997 гг.

Район Встречаемость, %

вариант 1 вариант 2 вариант 3

Гиагинский 19 27 54

Кошехабльский 27 42 31

Красногвардейский 19 50 31

Майкопский 27 46 27

Тахтамукайский 45 45 10

Теучежский 42 27 31

Шовгеновский 42 27 31

Среднее по Республике Адыгея 23 42 35

Примечание: Вариант 1 — количество внесенных удобрений увеличивается или уменьшается, однако урожайность не меняется, или наоборот: урожайность может возрастать или снижаться при постоянной дозе удобрений. Вариант 2 — однонаправленная динамика, когда урожайность и количество внесенных удобрений меняются в одном направлении. Вариант 3 - разнонаправленная динамика, когда при увеличении дозы удобрений урожайность снижается и наоборот.

Результат урожайности зерновых культур был более прогнозируемый в зависимости от удобрений. Причем, для почв всех районов отмечается прямо пропорциональная зависимость урожая от дозы удобрений за исключением Кошехабльского (рис. 6,7).

А

"V

/ # / / / / •> »' / * і і і / / ^

Т»*т«мїк«йскиЯ район

( t і І і І І / / / / / / / ^

Рисунок 6. Динамика урожайности зерновых и доз внесенных минеральных удобрений за период 1971-1997 гг. в Адыгее

Кошлхабпускмм район

♦ ♦

10 100 150 2С0 250

Гиа ганский район

100 150 200 250

Удовнин».«г*ад*

Красногвардейский район

Удовр

Таучвжокий район

Рисунок 7. Зависимость урожайности зерновых культур от вносимых доз удобрений в районах Республики Адыгея за период с 1971 по 1997 гг.

В постперестроечный период чаще встречается однонаправленная динамика доз внесения удобрений и урожайности зерновых культур, а именно урожайность повышалась с увеличением доз удобрений. В каждом районе такие варианты составляли 27-47% (табл. 4). Разнонаправленная динамика (вариант 3) реже всего наблюдалась в Кошехабльском районе (13%), чаще (40-66%) — в Гиагин-ском, Тахтамукайском, Теучежском и Шовгеновском (табл. 4.). Встречаемость варианта 1, в котором один из параметров (урожайность или доза удобрений) остается без изменения при изменяющемся другом параметре — около 26%.

Таблица 4.

Встречаемость вариантов динамики урожайности и доз внесенных удобрений в Республике Адыгея за период 1995-2010 гг., %

Район Зерновые культуры | Масличные культуры

вариант

1 2 3 1 2 3

Гиагинский 20 33 47 47 33 20

Кошехабльский 53 34 13 27 27 46

Красногвардейский 40 40 20 20 20 60

Майкопский 26 47 27 20 33 47

Тахтамукайский 7 27 66 13 33 54

Теучежский 13 47 40 40 33 27

Шовгеновский 27 33 40 33 27 40

г. Майкоп 20 47 33 54 40 6

Среднее по Республике Адыгея 26 38 36 32 31 37

По масличным культурам в среднем по Адыгее отмечается ровное соотношение встречаемости всех вариантов - 31-37%, хотя в каждом районе картина разная. Так, в Тахтамукайском районе чаще встречается разнонаправленная динамика урожайности и удобрений (54%), а однонаправленная -составляет лишь 13%, а в Гиагинском, напротив, - 47% приходится на отзывчивость масличных культур в год внесения удобрений.

Таким образом, внесение удобрений не всегда приводит к увеличению урожайности зерновых и масличных культур в год внесения. Слишком часто (в среднем — 36%) встречается разнонаправленный вариант динамики: рост урожайности при снижении дозы удобрений и наоборот, что указывает на последействие удобрений. Так, после максимальной дозы, например 34 кг/га в Шовгеновском районе (1998 г.), в следующие годы количество внесенных

удобрений снижается за 5 лет в 3 раза, а урожайность зерновых, напротив, растет с 25 до 35 ц/га (рис. 8).

-I

? ? І ї !! І і I3I» І I I I :

ТмтштпітЯ рівк

:К£8888888888:

г І 8 І і Н І 8 І і 8 і І 5 8 І

КошімвлгпшК

Рисунок 8. Динамика урожайности зерновых, масличных культур и доз вносимых удобрений в районах Республики Адыгея за период 1995-2010 гг.

Аналогично и для г. Майкопа: с 1997-2002 гг. внесение удобрений снизилось с 32 до 8 кг/га за 5 лет, а урожайность зерновых за этот же период увеличивается на 7 ц/га. В Гиагинском районе в 1996 г. внесено максимальное количество удобрений - 42 кг/га, за последующие 6 лет доза уменьшилась до 17 ц/га, а урожай зерновых повысился на 10 ц/га. В Кошехабльском районе за 6 лет с 2002 по 2008 гг. (рис. 8) наблюдался рост урожайности зерновых в 2-3 раза на фоне снижения общего количества внесенных удобрений.

При низких дозах внесения удобрений (около 10 кг/га) чаще встречается вариант 2, т.е. однонаправленная динамика удобрений и урожая. Следует отметить, что при сравнительно низких дозах ЫРК (менее 50 кг д.в. на 1 га пашни), в некоторых областях России также наблюдается однонаправленная динамика доз внесения удобрений и урожайности зерновых (Я2= 0,76), чего не отмечается при высоких дозах (Муравин, Титова, 2001).

Период роста урожайности на фоне снижения доз удобрений принимали за период остаточного действия удобрений. Установлено, что он зависит от общего количества ежегодно вносимых удобрений. Для зерновых культур последействие высоких доз (30-40 кг/га) удобрений наблюдается 5-6 лет, низких (10 кг/га и меньше) — 1-2 года. Для масличных культур эффект последействия менее выражен.

Варьирование величины урожая независимо от доз внесенных удобрений может быть только в случае — если почва в достаточной мере насыщена доступными растениям элементами минерального питания. Многолетнее внесение удобрений привело к тому, что почвы обогащены питательными веществами и часто растения не реагируют на внесение удобрений, особенно заметно это на тяжелосуглинистых почвах. В целом, можно сказать, что длительное внесение удобрений приводит к общему обогащению почвы питательными веществами. Варьирование отзывчивости на удобрения, возможно, связано с погодными или с другими условиями использования почв. Проведенный анализ показал, что взаимодействие удобрений и растений регулируется почвой и не всегда прямолинейно, как это обычно отмечается в разных изданиях. Возможно, многолетнее удобрение почв приводит, к меньшей отзывчивости растений на удобрения в год их внесения, что имитирует как бы независимость растений и урожая от удобрений. Но изменяются условия (температура, влажность почв) и реакция вновь проявляется. Это явление (предположение) нуждается в более детальном анализе. С другой стороны, длительное применение удобрений может привести к «кажущейся» независимости урожая от удобрений. Существуют данные об отсутствии связи между удобрением и урожаем, они были приведены в докладах съезда почвоведов Чехословакии еще в 1986 г. (Карпачевский, 1987). Многолетние наблюдения за применением удобрений в сельскохозяйственной практике позволяют по-новому оценить их эффективность на кубанских черноземах.

Таким образом, анализ многолетней динамики урожайности зерновых и масличных культур, а также количества ежегодно вносимых удобрений в районах Адыгеи показал, что варианты с их разнонаправленной динамикой встречаются довольно часто — от 13 % до 66 % в зависимости от почвенного покрова, что свидетельствует о последействии удобрений. Продолжительность последействия зависит от общего количества ежегодно вносимых удобрений и составляет при высоких дозах (30-40 кг/га) — 5-6 лет, низких дозах (10 кг/га и меньше) - 1-2 года. Для масличных культур эффект последействия менее выражен.

Анализ многолетних данных по внесению минеральных удобрений и их влиянию на урожайность сельскохозяйственных культур показал, что на почвах некоторых районов не отмечается пропорциональной зависимости между ними. Поэтому цель следующих экспериментов — определить агрохимические характеристики пахотных почв районов Адыгеи и оценить их влияние на отзывчивость сельскохозяйственных культур на удобрения.

Глава 5. Оценка пахотных почв по агрохимическим свойствам Почвы играют существенную роль в получении урожаев наряду с культурой земледелия, применяемыми технологиями, климатическими факторами и свойствами возделываемых культур. На основании многочисленных данных (Елисеева, Шеуджен, Ашинов и др.) установлено, что изучаемые почвы обес-

печены гумусом (3,2-4,1%), причем его содержание почти не изменилось на протяжении 20 лет (1978-1997 гг.). Результаты обследования почв в 2010-2011 гг. показали снижение содержания гумуса в среднем на 0,4-0,8 % (табл. 5). Необходимо отметить, что черноземы выщелоченные и черноземы слитые содержат немного больше гумуса по сравнению с другими почвами (серые лесные, лугово-черноземные, луговые). По содержанию подвижного калия и фосфора большинство почв относятся к группе со средней и повышенной обеспеченностью. Кислотность почв оптимальная — рН = 6-7.

Таблица 5

Агрохимические показатели пахотных горизонтов черноземов

выщелоченных и лугово-черноземных почв

Глубина, см Р205, мг/кг К20, мг/кг рН (КС1) Нг, мг-экв. /100 г Гумус, % Обменный Микроэлементы, мг/кг

Са2+|Мй2+ Си гп Мп

мг-экв/100 г.

Чернозем выщелоченный (разрез 1), Майкопский район

0-10 41,8 401,6 5,4 3,5 43 34,0 10,8 1,0 1,0 113

10-20 30,65 388,7 5,6 3,3 3,9 36,0 9.8 0,9 0,9 9,5

Чернозем выщелоченный (разрез 2), Майкопский район

0-10 24,6 185,4 4,3 5,3 1,6 19,7 10,0 0,9 1,3 10Д

10-20 35,9 183,6 4,4 4,1 1,9 19,0 8,9 0,8 1,1 9,3

Лугово-черноземный (разрез 3), Кошехабльский район

0-10 23,2 232,6 5,5 2,6 3,4 27,4 9,0 1,6 1,7 30,0

10-20 21,3 233,0 5,4 2,8 2,7 22,6 12,3 1,5 1,5 26,8

Лугово-черноземный (разрез 4), Кошехабльский район

0-10 57,7 298,2 5,7 1,9 33 27,4 8,4 1,7 1,8 29,0

10-20 8,4 163,8 7,4 оз 3,1 28,1 83 1,3 1,5 20,6

Лугово-черноземный (разрез 5), Шовгеновский район

0-10 32,1 426,0 5,7 23 2,9 35,2 9Д 1Д 1,4 25,0

10-20 39,4 435,0 5,9 1,9 3,2 35,2 9,9 1Д 1Д 22,1

Лугово-черноземный (разрез 6), Шовгеновский район

0-10 11,9 321,0 5,4 3,7 3,3 32,6 11,2 1,1 1Д 29,5

10-20 11,8 313,8 4,9 4Д 3,4 31,4 12,2 13 1,1 28,9

Чернозем выщелоченный (разрез 7), Гиагинский район

0-10 43Д 392,7 6,5 1,4 4,2 38,6 11,5 1Д 1,9 31,0

10-20 29,8 318,4 6,4 1,8 43 36,7 12,4 1,1 1,5 27,8

Чернозем выщелоченный (разрез 8), Гиагинский район

0-10 16,0 417,4 5,4 3,5 3,1 27,9 11,5 1,59 2,0 31,0

10-20 42,1 436,0 5,6 2,8 4,0 29,6 8,8 1,34 1,4 25,5

Лугово-черноземные (разрез 9), Красногвардейский район

0-10 10,7 232,4 5,8 2,0 2,5 25,1 9,0 1,0 1,4 24,0

10-20 14,4 182,8 5Д 23 2,3 21,5 8,7 1,1 0,1 20,1

Чернозем выщелоченный (разрез 10), Теучежский район

0-10 43,8 442,7 5,3 зд 3,1 27,4 8,7 ІД 1,6 31,0

10-20 33,8 375,3 5,1 3,89 23 29,5 10,3 1,1 1,3 25Д

Лугово-черноземный (разрез 11), Тахтамукайский район

0-10 32,1 386,0 5,7 23 2,9 35,2 9Д 1Д 1,4 25

10-20 39,4 435,0 5,9 1,9 ЗД 35Д 9,9 1Д 1Д 22

Обеспеченность почв Республики Адыгея микроэлементами вполне удовлетворительная. В Гиагинском районе много меди и марганца, цинка — мало (табл. 5). В Кошехабльском обеспеченность медью — высокая, цинком — низкая, марганцем — средняя и высокая.

Анализ данных по содержанию обменного калия за 30 лет (1968-1997 гг.) показал, что его количество в среднем составляет 200-240 мг/кг почвы. Причем, чаще всего встречаются почвы с содержанием обменного калия 235 мг/кг почвы, что относится к V классу, то есть очень высокой обеспеченности (Минеев, 2001). Выделяются два района, где более 2/3 площади пашни высокообеспеченные обменным калием — это Гиагинский и Шовгеновский. В Красногвардейском районе таких почв 50%. Важно отметить, что низкообеспеченные обменным калием почвы встречаются редко и занимают менее 15%. Можно заключить, что все почвы Республики Адыгея обеспечены обменным калием в достаточном для сельскохозяйственных культур количестве, а в Гиагинском и Шовгеновском районах — высоко обеспеченные. Следовательно, эти почвы будут снижать миграцию тяжелых металлов и радионуклидов в сельскохозяйственные культуры.

Пахотные почвы Адыгеи относятся к группе с низкой и средней нитри-фикационной способностью. Почв с высокой степенью мало, менее 10% от площади пашни. Исключением является Шовгеновский район, где такие почвы составляют одну треть. Таким образом, по нитрификационной способности пахотные почвы Адыгеи не представляют экологическую угрозу для окружающих ландшафтов, водоемов и растений, так как не проявляют высокую нитрифицирующую активность.

Балльная оценка пахотных почв районов Адыгеи.

Существуют различные оценки почв и почвенного покрова, по которым оцениваются почвы: агропроизводственная группировка почв, оценка земли по методу Докучаева-Сибирцева, бонитировка почв в СССР (методика Н.Л. Благовидова, Ф.Я. Гаврилюка, А.К. Крылатова), бонитировка лесных почв и оценка городских земель, почвенно-экологическая бонитировка по методу И.И. Карманова и др. (Муха В.Д. и др., 2003.). Ю.Н. Ашинов (2005-2009) предложил балльную оценку почвенного покрова, которая позволила увязать эту характеристику с элементами социальной структуры каждого района Адыгеи. Цель использованной нами балльной системы - дать оценку качества почвенного покрова пашни для каждого района и использовать ее для объяснения «противоречивых» результатов в системе «удобрения-урожай-ность». Наша балльная система учитывает базовые агрохимические свойства почвы: содержание гумуса, гранулометрический состав, обеспеченность питательными элементами (азот, фосфор, калий) и др. (табл. 6).

Средний балл, рассчитанный с учетом 6 почвенных характеристик (гумус, фосфор подвижный, калий обменный, нитрификационная способность, обеспеченность микроэлементами, степень кислотности), показал, что самые благоприятные свойства пахотных почв в районах с максимальным баллом. Районы располагаются в ряд по убыванию качества пашни: Шовгеновский (2,5) > Красногвардейский (2,4) > Кошехабльский (2,1) > Тахтамукайский (1,9) > Майкопский (1,5) = Теучежский (1,5).

Таблица 6

Балльная оценка агрохимических свойств пахотных почв административных районов Республики Адыгея

Район Гу- Фосфор Калий Нитрификационная Си, Хп, Сред-

мус подвижный обменный способность Мп нее

Гиагинский 1 2 3 1 2 1,8

Кошехабльский 3 2 2 2 1,7 2,1

Красногвардейский 2 3 3 2 2 2,4

Майкопский 1 1 2 2 1,7 1,5

Тахтамукайский 2 2 2 1 2,3 1,9

Теучежский 1 1 2 2 1,3 1,5

Шовгеновский 1 3 3 3 1,7 2,5

Использование балла агрохимического качества почвы не привело к определенным выводам относительно взаимосвязей в системе «удобрение-урожай».

Заключение

Пахотные почвы Адыгеи представлены в основном черноземами выщелоченными и лугово-черноземными почвами преимущественно глинистого и тяжелосуглинистого гранулометрического состава. Они характеризуются средней и повышенной обеспеченностью подвижными формами калия и фосфора, слабокислой и нейтральной реакцией среды (рН 6-7), содержанием 1умуса 3-4%. Низкая нитрификационная способность почв не представляет угрозу для соседних ландшафтов, водоемов и растений. Концентрации тяжелых металлов (Со, N1, Си, Сг, 2п, С<1, РЬ, Мп, Ре) и искусственных радионуклидов |37Сэ и м8г в почвах не превышают ПДК. Однако за последние 20 лет отмечается увеличение их содержания в пахотных горизонтах почв и растениях в результате глобального загрязнения.

Агрохимический фон черноземов выщелоченных и лугово-чернозем-ных почв создает надежную защиту сельскохозяйственным растениям от поглощения тяжелых металлов и радионуклидов из почвы. Многолетняя распашка и внесение удобрений привели к созданию сравнительно однородного агрохимического фона пахотных горизонтов. Вероятно, с этим связано отсутствие влияния типа почвы на транслокацию радионуклидов в наземные органы озимой пшеницы. Эффект остаточного действия минеральных удобрений усиливает агрохимический фон пахотных почв Адыгеи в зависимости от дозы: при 30-40 кг/га д.в. отмечен 5-6-летний период последействия; при 10 кг/га д.в. и менее период последействие - 1-2 года.

Выводы:

1. Удельная активность радионуклидов 137Сб в пахотных черноземах выщелоченных и лугово-черноземных почвах Адыгеи не превышает среднего уровня отмеченного в 1991-1997 гг. и составляет 5-15 Бк/кг почвы для '"Сб и 15-20 Бк/кг для 908г.

2. Озимая пшеница характеризуется низким коэффициентом поглощения радионуклидов: 0,13 (зерно) и 0,30 (солома) для Сб и 0,20 (зерно) и 0,44 (солома) для 903г. Достоверного влияния типа почвы (лугово-чернозем-ная и чернозем выщелоченный) на коэффициент поглощения |37Сз и Эг озимой пшеницей не обнаружено. Отмечается более широкий разброс данных в лугово-черноземной почве.

3. Пахотные почвы Адыгеи не загрязнены тяжелыми металлами. Однако мониторинговые исследования за состоянием почв необходимы, поскольку тяжелые металлы в почве накапливаются, и возрастает содержание их подвижных форм. Гранулометрический состав черноземов выщелоченных и лугово-черноземных почв влияет на аккумуляцию тяжелых металлов: в глинистых почвах их содержание выше, чем в суглинистых. Для цинка, кадмия и свинца эта разница не достоверна.

4. Анализ динамики урожайности сельскохозяйственных культур и доз внесенных удобрений за период 1971 по 2010 гг. позволил выделить три варианта совместной динамики: однонаправленная динамика, разнонаправленная и без изменения одного фактора при изменяющемся другом. Вариантов с однонаправленной динамикой количества внесенных удобрений и урожая зерновых встречается от 27 до 47% в зависимости от района Адыгеи. Существенную долю составляют варианты с разнонаправленной динамикой — 1366% за период с 1995 по 2010 гг. Реже встречается вариант, когда урожай зерновых слабо реагирует на изменение дозы удобрений. Все это свидетельствует о последействии удобрений на урожай зерновых.

5. Отмечен 5-6-летний период последействия высоких доз удобрений (30-40 кг/га д.в.), когда в последующие годы наблюдается рост урожая зерновых при снижении количества внесенных удобрений и 1-2 года — при низких дозах внесения удобрений (10 кг/га д.в.).

6. На основе агрохимических показателей пахотных почв дана балльная оценка их качества для каждого района Адыгеи. Районы располагаются в порядке улучшения агрохимических свойств пашни: Теучежский (балл 1,5) = Майкопский (1,5) < Гиагинский (1,8) < Тахтамукайский (1,9) < Кошехабль-ский (2,1) < Красногвардейский (2,4) < Шовгеновский (2,5).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Схашок Ф.Ю. Динамика урожайности зерновых и внесенных удобрений в районах Республики Адыгея. / Ф.Ю. Схашок, Ю.А. Ашинов, Л.О. Карпачевский, Т.А. Зубкова // Вестник МГТУ №3. Научный журнал ГОУ ВПО «Майкопский Государственный Технологический Университет» - Майкоп, 2011. - С. 26-29.

2. Зубкова Т.А. Эффект последействия минеральных удобрений в почвах Адыгеи / Т.А. Зубкова, Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Вестник Алтайского аграрного университета. - №10. Издательство Алтайский аграрный университет. Барнаул, 2012. - С. 5-8.

3. Схашок Ф.Ю. Зависимость урожайности зерновых от средней дозы внесенных удобрений в районах республики Адыгея /Ф.Ю. Схашок, Т.А. Зубкова, Ю.Н. Ашинов И Научный журнал «Труды КубГАУ» 5(38), типография КубГАУ - Краснодар, 2012. - С. 131-135.

4. Схашок Ф.Ю. ' Сэ в пахотных почвах как показатель техногенного загрязнения / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Научный журнал Труды КубГАУ. - №3. - типография КубГАУ. Краснодар, 2013. - С. 137-141.

5. Схашок Ф.Ю. Радионуклиды 137Сз и ^г в пахотных почвах Адыгеи / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Научный журнал Вестник ГОУ ВПО «МГТУ». -№1. - Майкоп, 2013,- С. 56-59

6. Зубкова Т.А. Оценка последействия удобрений в Республике Адыгея/ Т.А. Зубкова, Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов. // Вестник МГУ им. М.В. Ломоносова, сер.17, №2. - Почвоведение - Москва, 2013.

Публикации в других изданиях

1. Схашок Ф.Ю. Содержание гумуса в почвах Адыгеи / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов, А.К. Шхапацев // Сборник научно-практической конференций Энтузиасты аграрной науки. №14. Типография ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет". - Краснодар, 2012. - С. 155-160.

2. Схашок Ф. Ю. История исследования почв Республики Адыгея / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Сборник научно-практической конференций Энтузиасты аграрной науки. - №14. Типография ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет". - Краснодар, 2012. - С. 170-175.

3. Схашок Ф.Ю. Экологическая роль почвы //Сборник материалов межрегиональной научно-практической конференции (октябрь 2011). Издательство ИП Солодовников А.Н. - Белореченск, 2011. - С. 290-295.

4. Схашок Ф.Ю. Почва как экономический и биосферный базис (фактор) жизни населения / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Сборник материалов межрегиональной научно-практической конференций (октябрь, 2011) Издательство ИП Солодовников А.Н., Белореченск, 2011, С. 293-296.

5. Схашок Ф.Ю. Распределение тяжелых металлов в почвах Белореченского района Краснодарского края и Майкопского района Республики Адыгея / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Сборник международной научно-практической конференций. Энтузиасты аграрной науки. - №14. Типография ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет". - Краснодар, 2012. - С. 241-245.

6. Схашок Ф.Ю. Взаимосвязи в системе « удобрения — урожайность зерновых» в пахотных почвах Адыгеи / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов, А.К. Шхапацев // Сборник международной научно-практической конференций. Энтузиасты аграрной науки. - №14. - Типография ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет". - Краснодар, 2012. - С. 150-155.

7. Схашок Ф. Ю. Влияние удобрений на урожайность зерновых в Республике Адыгея // Ломоносов-2012 XIX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Почвоведение»; 9-13 апреля 2012 г., Москва, Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова факультет почвоведения:- М* МАКС Пресс, Москва, 2012. С. 180-182.

8. Схашок Ф.Ю. Почва и заболевания населения Адыгее / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Стратегическое направление устойчивого развития социально-экономической и экологической политики Южного региона. Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции с международным участием. -Издательство ИП Миронин. Белореченск, 2013. - С. 134-137.

9. Схашок Ф.Ю. История исследования почв Республики Адыгея / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов // Энтузиасты аграрной науки. - №14. - Краснодар, 2012. - С. 170-175.

10. Схашок Ф.Ю. Содержание гумуса в почвах Адыгеи / Ф.Ю. Схашок, Ю.Н. Ашинов, А.К. Шхапацев // Энтузиасты аграрной науки. - №14. - Краснодар, 2012. - С. 155-160.

СХАШОК Фатима Юсуфовна

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПАХОТНЫХ ПОЧВ АДЫГЕИ ПО АКТИВНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ 1"С8 И 90 в г, СОДЕРЖАНИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ПОСЛЕДЕЙСТВИЮ УДОБРЕНИЙ

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 08.05.2013 г. Формат бумаги 60x841/1б. Бумага ксероксная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,25. Заказ №014. Тираж 100 экз.

ИП Коблева М.Х. 385000, г. Майкоп, пер. Дачный, 22

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Схашок, Фатима Юсуфовна, Владимир

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования «Майкопский государственный технологический университет»

04201360704 ^

СХАШОК Фатима Юсуфовна

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПАХОТНЫХ ПОЧВ АДЫГЕИ ПО АКТИВНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ шСз И "вг, СОДЕРЖАНИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ПОСЛЕДЕЙСТВИЮ УДОБРЕНИЙ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Научный руководитель -Ашинов Юнус Нухович доктор биологических наук.

Владимир - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Оглавления Стр.

Введение 4

Глава 1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПАХОТНЫХ ПОЧВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 10

1.1. Загрязнение пахотных почв радионуклидами 10

1.2. Загрязнение пахотных почв тяжелыми металлами 28

1.3. Экологическая роль удобрений в агроэкосистемах, геосистемах и ландшафтах, эффект их остаточного действия 37

1.3.1. Сельскохозяйственное загрязнение геосистем и ландшафтов 37

1.3.2. Экологическая роль удобрений 44

1.3.3. Внесение удобрений в почвы СССР, России, Украины, Краснодарского края 53

1.3.4. Последействие удобрений 64 Глава 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РЕСПУБЛИКИ АДЫГЕЯ 67

2.1. Природные условия Республики Адыгея 67

2.2. Почвы Республики Адыгея 71

2.3. Методы исследований 73 Глава 3. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И РАДИОНУКЛИДЫ ЦЕЗИЙ-137 И СТРОНЦИЙ-90 В ПОЧВАХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЯХ 75

3.1. Удельная активность радионуклидов 137Сб и 908г 75

3.2. Распределение тяжелых металлов в пахотных почвах Белореченского района и Майкопского районов 83

Глава 4. МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА УРОЖАЙНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И ДОЗЫ ВНЕСЕННЫХ УДОБРЕНИЙ 91

4.1. Динамика внесения минеральных удобрений за период 1971-1997 гг. 91

4.2. Динамика урожайности зерновых культур и дозы внесенных

удобрений за период 1971 -1997 гг. 94

4.3. Динамика урожайности зерновых и масличных культур и внесения удобрений за период с 1995 по 2010 гг. 101

4.4. Связи в системе «удобрения - урожайность зерновых» в пахотных почвах Адыгеи за период 1995-2010 гг. 107

Глава 5. ОЦЕНКА ПАХОТНЫХ ПОЧВ ПО АГРОХИМИЧЕСКИМ

СВОЙСТВАМ 113

5.1. Агрохимические свойства пахотных почв Адыгеи 113

5.2. Ежегодная динамика площадей пахотных почв по степени обеспеченности питательными элементами 131

5.3. Кадастровая стоимость и другие балльные системы оценки почвенного покрова районов Адыгеи 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149

ВЫВОДЫ 150

ЛИТЕРАТУРА 152

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время большое внимание уделяется экологической чистоте сельскохозяйственной продукции, которая непосредственно связана с экологическим состоянием пахотных почв. Загрязняющие вещества, поступающие в наземные экосистемы, включаются в биогеохимические циклы миграции и аккумулируются в почве. Из почвы они частично поглощаются корнями и поступают в различные части растений, которые представляют пищевую и кормовую ценность.

В последние десятилетия возрастает загрязнение природной среды искусственными радионуклидами 137Сз и 908г вследствие глобального распределения продуктов испытания ядерного оружия, плановых и аварийных выбросов радиоактивных веществ предприятиями атомной промышленности, АЭС, радиохимическими заводами; а также естественными радионуклидами, которые попадают в почву с фосфорными и калийными удобрениями. Однако относительный вклад от применения удобрений в дополнительную дозу облучения живых организмов очень мал (менее 0,01 % суммарного естественного радиоактивного фона) и не создает опасности повышения общего радиоактивного фона пахотного слоя (Алексахин, 1991, 2006; Минеев, 1999; Прицеп и др., 1997). Но удобрения способны задерживать поступление искусственных радионуклидов и тяжелых металлов из почвы в корневую систему и в надземную массу растений. Минеральные удобрения оказывают максимальное положительное действие в ряду агрохимических фонов на дерново-подзолистой почве: минеральный > органо-минеральный > органический (Лебедева, Соловьева, 2008). Калий и кальций ингибируют поступления 137Сб и 908г в культуры агроэкосистем. Но с другой стороны, повышенные концентрации азота в почве могут приводить к отравлению людей и животных, попадать в грунтовые воды и вызывать эвтрофикацию водоемов. Внесение в почву азотных удобрений способствует уменьшению

озонового слоя, активизируя ряд процессов: микробиологическая активность - денитрификация - диоксид азота. Содержание фосфора в почве также влияет на денитрификацию (Большая Энциклопедия Нефти Газа Егорова, Никитишен, 1993; Никитишен и др., 1997).

Таким образом, оценка действия удобрений на урожай сельскохозяйственных культур важна не только с точки зрения их рационального применения, но и защиты окружающей среды. Эффекту последействия удобрений в черноземной зоне уделялось гораздо меньше внимания, в отличие от дерново-подзолистых почв (Егоров, 2007, 2008 и др.). Поэтому исследование остаточного действия удобрений, как возможного регулятора их баланса в почве, представляется актуальным в условиях глобального загрязнения почв. Мониторинг загрязняющих веществ в почве и внесения удобрений актуальны для земледельческих регионов, к которым относится Республика Адыгея.

Цель работы - оценить экологическое состояние пахотных почв Адыгеи по активности радионуклидов 137Сб и 908г, содержанию тяжелых металлов и по остаточному действию минеральных удобрений.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить удельную активность 137Сэ и 908г, как показателя техногенного загрязнения пахотных почв Адыгеи и растений.

2. Рассчитать коэффициенты накопления радионуклидов в озимой пшенице и влияние на эти процессы типа почвы: лугово-черноземные и черноземы выщелоченные.

3. Оценить степень загрязнения пахотных почв тяжелыми металлами.

4. Провести анализ динамики урожайности сельскохозяйственных культур (зерновые, свекла, масличные) и внесения минеральных удобрений

за период с 1971 по 2010 гг. с целью выявления периода последействия удобрений.

5. Оценить период последействия минеральных удобрений для пахотных почв в условиях максимального и минимального их внесения.

Научная новизна работы. Предложено использовать многолетнюю динамику удельной активности радионуклидов 137Cs и 90Sr в почвах и содержания тяжелых металлов для оценки техногенного загрязнения черноземов выщелоченных и лугово-черноземных почв Адыгеи, а также для составления прогнозных моделей.

Предложено учитывать остаточное действие минеральных удобрений в хозяйственной деятельности Адыгеи как дополнительного фактора снижения загрязнения окружающей среды. Выделено 4 этапа в земледельческой деятельности каждого административного района: 1971-1985 гг. - наращивание объёмов вносимых удобрений со 100 до 150 кг/га пашни; 19851990 гг. - увеличение доз до 200 кг/га и выше; 1991-1995 гг. - снижение вносимых доз удобрений с 200 кг/га до 10 кг/га и 1995-2010 гг. - повышение доз до 50 кг/га д.в.

Установлено, что последействие минеральных удобрений зависит от их дозы и типа почв. На лугово-чернозёмах и чернозёмах выщелоченных влияние высоких доз (30-40 кг/га д.в.) проявляется в течение 5-6 лет, низких (10 кг/га д.в.) - 1-2 года.

Защищаемые положения:

1. Удельная активность 137Cs и 90Sr в черноземах выщелоченных и лу-гово-черноземных почвах Адыгеи составляет 5-15 и 15-20 Бк/кг соответственно. Достоверного влияния типа почвы на поглощение 137Cs и 90Sr озимой пшеницей не обнаружено. Озимая пшеница характеризуется низкими коэффициентами поглощения радионуклидов: 137Cs - 0,13 (зерно) и 0,30 (солома), 90Sr - 0,20 (зерно) и 0,44 (солома).

2. Пахотные почвы Адыгеи не загрязнены тяжелыми металлами, что делает их ценными для сельскохозяйственного производства. Однако это не отменяет необходимости мониторинговых наблюдений за состоянием почв, поскольку отмечено повышение содержания в них тяжелых металлов и их подвижных форм. Гранулометрический состав черноземов выщелоченных влияет на аккумуляцию тяжелых металлов.

4. На основе агрохимических показателей пахотных почв дана балльная оценка их качества для каждого района Адыгеи. Районы располагаются в порядке улучшения агрохимических свойств почв следующим образом: Теучежский (балл 1,5) = Майкопский (1,5) < Гиагинский (1,8) < Тахтаму-кайский (1,9) < Кошехабльский (2,1) < Красногвардейский (2,4) < Шовге-новский (2,5).

5. Период последействия высоких доз удобрений (30-40 кг/га), когда в последующие годы наблюдается рост урожайности зерновых культур при снижении количества внесенных удобрений, составляет 5-6 лет, низких (<10 кг/га) - 1-2 года.

Практическая значимость работы.

1. Предложен новый подход к оценке хозяйственной деятельности административного района на основе многолетней динамики объёмов применения удобрений и урожайности сельскохозяйственных культур. Он дает возможность установить эффективность использования минеральных удобрений и период их последействия в каждом районе.

2. Материалы исследований могут быть использованы специалистами в области экологии, агрохимии и почвоведения при:

- планировании и проведении мероприятий по комплексному экологическому мониторингу состояния окружающей среды;

- планировании севооборотов и доз вносимых удобрений;

- разработке мероприятий по ограничению землепользования по экологическим условиям;

- оценке качества пахотных почв административного района.

3. Предложенная концепция оценки последействия удобрений позволяет оптимизировать дозы их применения с целью предотвращения снижения урожайности сельскохозяйственных культур и предохранения почв от их избыточного количества.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на региональной научно-практической конференции «Экономические, социальные и экологические пути развития Южного региона» (г. Белореченск, 2011); III международной научно-практической конференции «Наука, образование и инновации для АПК: состояние и перспективы» (ФГБОУ ВПО «МГТУ» Республика Адыгея, Майкоп, 2011); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012» (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2012); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Стратегическое направление устойчивого развития социально-экономической и экологической политики Южного региона» (г. Белореченск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Совместно с руководителем выбрана тема исследований и разработана программа их проведения. Лично автором проведен отбор и анализ почвенных образцов, статистических данных по сельскохозяйственной деятельности в Адыгее; выполнен анализ полученных данных и интерпретация результатов, написана и оформлена диссертационная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Содержит 164 страницы текста, 38 рисунка, 30 таблиц. Список использованных источников включает 123 наименования, в том числе 2 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПАХОТНЫХ ПОЧВ (обзор литературы)

1.1. Загрязнение пахотных почв естественными и искусственными радионуклидами

В 20 веке в биосферу начали поступать искусственные радионуклиды, образующиеся на АЭС, при производстве ядерного топлива и испытаниях ядерного оружия. Среди радионуклидов искусственного происхождения выделяют 8, которые составляют основную дозу внутреннего облучения населения: 14С, 137Сз, 908г, 89Бг, 106Яи, 144Се, 1311, 95гг. При нормальной работе АЭС поступление радионуклидов во внешнюю среду незначительно. Но они также могут поступать из других источников, как, радиохимические заводы. В настоящее время такими радионуклидами в России загрязнены несколько регионов: Уральский регион, территории, пострадавшие от аварии на Чернобыльской АЭС, Алтайский край, Оренбургская область и др. (Левина, 2007). Искусственные радионуклиды попадают в окружающую среду, включаются в биологические системы и поступают в организм животных и человека, что создает опасность для нормальной жизнедеятельности организма.

Особенности поведения радионуклида 908г в природе. Стронций-90 -чистый бета-излучатель с периодом полураспада 29.12 лет. 908г - чистый бета-излучатель с максимальной энергией 0,54 эВ. При распаде он образует дочерний радионуклид 90У с периодом полураспада 64 ч. Как и 137Сэ, 908г может находиться в растворимой и нерастворимой в воде формах. В организме человека практически весь стронций-90 центрируется в костной ткани. Объясняется это тем, что стронций - химический аналог кальция, а соединения кальция - основной минеральный компонент кости. У детей минеральный обмен в костных тканях интенсивней, чем у взрослых, по-

этому в их скелете стронций-90 накапливается в большем количестве, но и выводится быстрее.

Для человека период его полувыведения стронция-90 - 90-154 суток. От депонированного в костной ткани стронция-90 страдает, в первую очередь, красный костный мозг - основная кроветворная ткань, которая к тому же очень радиочувствительная. От стронция-90 накопленного в тазовых костях, облучаются генеративные ткани. Поэтому для этого радионуклида установлены низкие ПДК - примерно в 100 раз ниже, чем для цезия-137.

В организм стронций-90 поступает только с пищей, причем в кишечнике всасывается до 20% от его поступления. Наибольшее содержание этого радионуклида в костной ткани жителей северного полушария было фиксировано в 1963-1965 гг. Тогда этот скачок был вызван глобальными выпадениями радиоактивных осадков от интенсивных испытаний ядерного оружия в атмосфере в 1961-1962 гг.

После аварии на чернобыльской АЭС вся территория со значительным загрязнением стронцием-90 оказалась в пределах 30-километровой зоны. Большое количество стронция-90 попало в водоемы, но в речной воде его концентрация нигде не превышала предельно допустимой для питьевой воды (кроме реки Припять в начале мая 1986 г. в ее нижнем течении).

Миграция стронция-90 в почвах. Радионуклид 908г характеризуется большей подвижностью в почвах по сравнению с 137Сб. Поглощение 908г в почвах в основном обусловлено ионным обменом. Большая часть задерживается в верхних горизонтах. Скорость миграции его по почвенному профилю зависит от физико-химических и минералогических особенностей почвы. При наличии в почвенном профиле перегнойного горизонта, расположенного под слоем подстилки или дернины, 908г концентрируется в этом горизонте. В таких почвах, как дерново-подзолистая песчаная, перегнойно-торфянисто-глеевая суглинистая на песке, черноземно-луговая оподзоленная, выщело-

ченный чернозем, наблюдается некоторое увеличение содержания радионуклида в верхней части иллювиального горизонта. В засоленных почвах появляется второй максимум, что связано с меньшей растворимостью сульфата стронция и его подвижностью. В верхнем горизонте он задерживается в солевой корке. Концентрирование в перегнойном горизонте объясняется высоким содержанием гумуса, большой величиной емкости поглощения катионов и образованием малоподвижных соединений с органическим веществом почв.

Радионуклид 908г характеризуется большей подвижностью в почвах по

137 ОА

сравнению с Сб. Скорость миграции йг в условиях модельных экспериментов и в полевых условиях возрастает с увеличением содержания обменного кальция (Бударников В.А., Киршин В.А. и др., 1992, Чернобыль не отпускает, 2009). Миграция стронция-90 возрастает также с увеличением кислотности. С органическим веществом почв образует малоподвижные соединения, поэтому концентрируется в гумусовых горизонтах.

7 47

Особенности поведения радионуклида СЪ в природе

Цезий-13 7(137Сб) -радиоактивный изотоп цезия-133 с периодом полураспада 30 лет. В процессе распада изотопа происходит у-излучение. Це-зий-137- один из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления 137Сз наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. Внутрь животных и человека цезий-137 в основном проникает через органы дыхания и пищеварения. Около 80 % попавшего в организм

цезия накапливается в мышцах, 8 % - в скелете, оставшиеся 12 % распределяются равномерно по другим тканям. Цезий-137 выводится в основном через почки и кишечник. Через месяц после прекращения поступления цезия из организма выводится примерно 80 % введенного количества (Шр://т^к1реё1а.ог§^1к1/Цезий-13 7).

Коэффициент накопления 137Сз растениями изменяется от п><10"3 до пхЮ"1. Поступление его в растения из почвы в среднем в 5-10 раз меньше, чем других долгоживущих радионуклидов (Пузанов и др., 2008).

Радионуклиды ест