Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние природных минералов, отходов производства и зернобобовых культур на эколого-геохимическую устойчивость чернозема оподзоленного

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние природных минералов, отходов производства и зернобобовых культур на эколого-геохимическую устойчивость чернозема оподзоленного"

На правах рукописи

Половитсков Владимир Александрович

003459524

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛОВ, ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ЗЕРНОБОБОВЫХ КУЛЬТУР НА ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ЧЕРНОЗЕМА ОПОДЗОЛЕННОГО

Специальность 03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

\ 4 Г. К Б 1СЗ

Брянск-2008

003459524

Работа выполнена на кафедре земледелия ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный Университет»

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Степанова Лидия Павловна

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Артюхов Александр Иванович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Касатиков Виктор Александрович

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур Россель-хозакадемии

Защита состоится 30 января 2009 г. в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д 220.005.01. при ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 243365, с. Кокино Выгоничского района Брянской области, корпус 1, аудитория 216, E-mail: cit @ bgsha.com Факс: 84834-12-47-21 Сайт в Интернете: www.bgsha.com

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» или на официальном сайте www.bgsha.com

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью.

Объявление и автореферат размещены на сайте www.bgsha.com

Автореферат разослан 29 декабря 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук, профессор

А.В. Дронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нормальное функционирование почв как биокосных природных и природно-антропогенных подсистем в ландшафтных системах имеет большое значение для экологической устойчивости ландшафта в целом. В ряду депонирующих природных сред почвы испытывают наибольший техногенный пресс химических элементов, поступающих с атмосферными осадками, осаждающихся в виде сухих аэрозолей, привносимых с удобрениями, ядохимикатами, различного рода компостами, а также при аварийных ситуациях.

Устойчивость почв по отношению к различным загрязнителям неодинакова. Для прогноза изменения почвенно-экологической обстановки необходимо учитывать химический состав загрязняющих техногенных веществ, степень буферности и возможные направления ответных реакций почв на данный конкретный тип химического воздействия. Эти обстоятельства вызвали необходимость проведения исследований по эколого-геохимической оценки устойчивости черноземов региона и экспериментального подтверждения возможности восстановления экологического равновесия в результате рационального и безопасного для окружающей среды внесения удобрительных средств на основе природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов производства и эколого-стабилизирующего значения зернобобовых культур.

Цель наших исследований - оценить эколого-геохимическую устойчивость чернозема оподзоленного и эколого-стабилизирующую роль зернобобовых культур (горох, соя, люпин), при воздействии различных видов геохимических стартеров (шлаковые отходы производства, природные фосфориты и цеолиты).

Задачи исследований:

1. Изучить влияние фосфоритной муки, цеолита, шлаковых отходов и их сочетаний на агрофизические, физико-химические и биологические свойства чернозема оподзоленного.

2. Исследовать влияние изучаемых геохимических стартеров на валовое содержание тяжелых металлов и образование их подвижных форм в пахотном слое чернозема оподзоленного.

3. Определить формирование симбиотического аппарата различных видов зернобобовых культур (горох, соя, люпин) в зависимости от применения природных минералов и шлаковых отходов.

4. Установить влияние удобрительных свойств фосфоритной муки, цеолита и шлаковых отходов на посевные качества зернобобовых культур.

5. Выявить влияние различных доз фосфоритной муки, цеолита, шлаковых отходов и их сочетаний на ростовые процессы, фотосинтетическую деятельность, продуктивность и качество продукции зернобобовых культур.

6. Эколого-экономическая оценка продуктивности различных видов зернобобовых культур и устойчивости чернозема оподзоленного, под воздействием природных минералов и шлаковых отходов.

Научная новизна исследований. Впервые в условиях черноземов лесостепной зоны европейской части России проведены комплексные исследования экологической устойчивости и плодородия черноземов оподзоленных и продуктивности зернобобовых культур к воздействию различных видов химических соединений. В приоритетном порядке решены следующие вопросы: показана эколого-геохимическая устойчивость чернозема оподзоленного среднесуглинистого к химическим воздействиям нетрадиционных удобрительных форм на основе природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов производства; определены величины накопления и степени подвижности тяжелых металлов в пахотном слое почвы. Доказано, что внесение фосфоритной муки и шлаковых

отходов в высоких дозах (1 - 1,5 т/га) обуславливает техногенную консервацию таких тяжелых металлов, как свинец, кадмий, никель, марганец - для фосфоритной муки, свинец, кобальт - для шлаков; разработан и апробирован способ предпосевной обработки семян гороха шлаком и цеолитом в дозе 50 кг на 1 т семян; установлена эколого-стабилизирующая роль зернобобовых культур в воспроизводстве плодородия чернозема оподзоленного и его устойчивости к техногенным воздействиям; дана оценка экономической эффективности использования удобрительных свойств шлаковых отходов производства, природных цеолитов и фосфоритов на черноземе оподзоленном под зернобобовые культуры..

Практическая значимость. Для пракгического использования разработан способ повышения посевных качеств гороха, позволяющий повышать урожайность и экологическую устойчивость растений к экстремальным погодным условиям. Разработаны приемы эффективного и экологически безопасного применения природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов при возделывании гороха, сои, люпина на черноземах оподзоленных.

Результаты исследований служат теоретической и практической основой регламентирования использования эколого-стабилизирующих и фитомелиоративных свойств люпина узколистного Кристалл и гороха Орловчанин и удобрительных свойств природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов для воспроизводства плодородия деградированных черноземов лесостепей и повышения продуктивности культур. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке агрономов, экологов, зоотехников, ветеринаров, инженеров-механиков в Орловском государственном аграрном университете.

Реализация работы. Результаты изучения эколого-геохимической устойчивости чернозема оподзоленного к воздействию нетрадиционных удобрительных форм и эколо-го-стабилизирующей роли зернобобовых культур прошли производственную проверку в ЗАО "Куракинское" Свердловского района и ОАО «Агрофирма Мценская» Мценского района Орловской области.

Апробация работы. Исследования были выполнены в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет». Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на Всероссийском конкурсе на лучшую работу среди аспирантов и молодых ученых г. Воронеж ВоронежскийГАУ имени К.Д. Глинки (2007 г.), на базе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева стал Лауреатом «Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых сельскохозяйственных вузов» г. Москва (2007 г.), научно-практических конференциях ОрелГАУ (2005, 2006, 2007, 2008 гг.), научных конференциях «неделя науки» Орловский государственный университет (2005,2006,2007 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы семь работ, из них три в журналах, реферируемых ВАК. Приоритетность научных изысканий подтверждена одним патентом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 239 наименования, в том числе 27 на иностранном языке, общий объем диссертации составляет 217 страниц машинописного текста, включая 33 таблицы, 26 рисунков и 51 приложение.

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность, научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лидии Павловне Степановой, заведующему кафедрой земледелия доктору сельскохозяйственных наук,

профессору Василию Тихоновичу Лобкову, а также коллективу кафедры земледелия Орловского государственного аграрного университета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Агроэкологическая устойчивость природных и агроландшафтов к техногенезу

Экологические проблемы, порожденные нарушением природного равновесия в окружающей среде, коснулись всей биосферы и непосредственно почвенного покрова Земли. Прежде всего это связано с техногенным загрязнением окружающей среды, в первую очередь почв, которое приобрело глобальные масштабы (Вернадский, 1965; Яковлев, 2000; Переломов, 2003; Аржанова и др., 1990; Белюченко, 1997).

Анализ литературных данных показывает, что устойчивость почв к техногенным воздействиям является сложной проблемой, требующей поиска различных направлений ее решения. Интегральным показателем устойчивости почв к различного рода химическим воздействиям (кислотные дожди, физиологически кислые удобрения, мелиоранты, техногенные загрязнения) является эколого-геохимическое состояние почвы, обеспечивающее нормальное функционирование совокупности живых организмов, присущих данной биогеоценотической системе, то есть обеспечение биологической продуктивности и качества создаваемой биологической продукции (Зеленов, Ермолаев, 2005; Ковда, 1989; 1995).

В связи с этим цель нашей работы состояла в оценке эколого-геохимической устойчивости черноземов оподзоленных и эколого-стабилизирующей роли зернобобовых культур в воспроизводстве их плодородия.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение удобрительных свойств отходов производства и природных минералов на физиологические особенности роста и развития зернобобовых культур и экологическую устойчивость чернозема оподзоленного среднесуглинистого проводили в 20052007 гг. на опытном поле кафедры земледелия Орловского государственного аграрного университета Рельеф опытного поля выровненный.

Пахотный слой почвы характеризовался следующими показателями: содержание гумуса в пахотном слое - 6,6 %, подвижного фосфора по Кирсанову - 10,4 мг/100г, обменного калия по Масловой - 10,1 мг/100 г почвы, рНК)П - 6,0, сумма поглощенных оснований - 32,5 мг.-экв./ЮОг, мощность гумусового горизонта - 62 см, плотность - 1,01,3 г/см3.

Метеорологические условия в годы проведения исследований (2005-2007 гг.) характеризовались неравномерным распределением осадков и температуры воздуха и имели отклонения от среднемноголетних данных. Поэтому полученные в исследованиях данные позволили достаточно достоверно и объективно оценить особенности эколого-стабилизирующей роли зернобобовых культур на черноземах оподзоленных при использовании нетрадиционных удобрительных форм.

В опытах исследовали экологическую устойчивость гороха посевного сортов «Батрак» и «Орловчанин», сои сорта «Ланцетная» и люпина узколистного сорта «Кристалл». Технология возделывания зернобобовых культур стандартная для региона. Предшественник - ячмень. Для внесения в почву отходов производства и природных минералов применяли разбрасыватель минеральных удобрений РУМ-5. Полевой опыт был заложен на делянках площадью 25 м в трехкратной повторности. Размещение опытных делянок систематическое.

Устойчивость чернозема оподзоленного и зернобобовых культур к различным химическим воздействиям изучали внесением шлаков «Мценского завода алюминиевого

литья» и природных минералов на основе цеолитов Хотынецкого месторождения и фосфоритов Дмитровского месторождения.

Отсевы солевого алюминиевого шлака (ОАО «Мценского Завода Алюминиевого Литья» г. Мценск) выпускаемых по ГОСТу - 1639-79. Сыпучий металл, фракции 3 мм, цвет - светло-серый, водородный показатель водной вытяжки рН-8. Содержание, (%): А1 - 2,82; А1203 -16,26; 8! - 4,90; Мй- 1,74; Ре - 1,70; Мп-0,15;7п- 0,64; 804 - 0,28; Си -0,66; Са -0,2; N3 - 2,42; К - 3,74; С1 - 2,00; Сс1 - 0,004; '11 - 0,085; Бп -0,018.

Цеолиты Хотынецкого месторождения представлены цеолитсодержащими трепелами и имеют следующий химический состав (%): СаО - 8,17%; М^О - 2,20 %; К20 -1,82%; Си - 2,7 * 10"3 %; Хп - 7,4 * 10"3%; Мп-4,6 * 10"3 %; Со-0,12 * 10"3 %; Мо-0,72 * 10'3 %. В кристалической стругауре цеолита содержится: клиноптилолита - 35 %; кри-стобалита - 27 %; монтмориллонита - 5 %; слюды - 8 %; кальцита - 3 %. Емкость кати-онного обмена достигает - 150-270 мэк/100 г, рН-8,3

Фосфориты - осадочные горные породы, насыщенные фосфатами (главным образом апатитом), фторид, гидроксид и карбонатом кальция. Условно этот состав можно передать формулой ЗСа3(Р04)2*СаС03* Са(ОН, Р)2. Содержание Р205 в фосфоритах Дмитровского месторождения составляет 8-10%.

Опыт 1. Влияние обработки семян шлаком, цеолитом сухим и полувлажным способами и низкочастотного облучения на посевные качества и урожайность гороха. Схема опыта включала в себя следующие варианты: 1. контроль; 2. облучение в течение 30 минут низкочастотными импульсами; 3. облучение в течение 1 часа; 4. опудривание семян шлаком в сухом состоянии (50 кг/т семян); 5.опудривание семян цеолитом в сухом состоянии (50 кг/т семян); 6. обработка семян суспензией шлака (замачивание) (50 кг/т семян); 7.обработка семян суспензией цеолита (замачивание) (50 кг/т семян).

Опыт 2. Влияние отходов производства, природных минералов и их сочетаний на рост, развитие, продуктивность и качество урожая зернобобовых культур и свойства чернозема оподзоленного.

Схема опыта включала в себя следующие варианты: 1 Контроль; 2 Фосфорит 1 т/га; 3 Фосфорит 1,5 т/га; 4 Цеолит 5 т/га; 5 Цеолит 10 т/га; 6 Шлак 0,5 т/га; 7 Шлак 1 т/га; 8 Шлак 1,5 т/га; 9 Фосфорит 1 т/га + шлак 0,5 т/га; 10 Фосфорит 1 т/га + цеолит 5 т/га; 11 Цеолит 5 т/га + шлак 0,5т/га.

Отобранные образцы почв и растений анализировали по общепринятым методикам: - микробиологические исследования выполнялись во влажных и сухих образцах почвы по Звягинцеву. В почве определяли общую численность колониеобразующих единиц (КОЕ) основных физиологических групп микроорганизмов, которые учитывали классическими методами посева на твердые питательные среды: МПА (мясо-пептонный агар) - использующие органические формы азота (аммонификаторы); КАА (крахмало-аммиачный агар) - использующие минеральные формы азота, в том числе актиномице-ты; среда Чапека с добавлением молочной кислоты - микроскопические грибы; среда Гетчинсона с фильтровальной бумагой - целлюлозоразлагающие микроорганизмы, в том числе бактерии, грибы, актиномицеты (Теппер и др., 1993); содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в аммиачно-ацетатном буферном растворе рН 4,8 методом атомно-абсорбционной модификации Симакова (ГОСТ 30178); механический анализ почвы - методом Качинского; агрегатный анализ - методом Савинова; определение гумуса- по методу Тюрина в модификации Симакова (ГОСТ 26213-84); определение подвижных форм фосфора в почве проводили методом Кирсанова (ГОСТ 26207-91); определение подвижных форм обменного калия в почве проводили по Масловой; определение нитратного азота - по методу Грандваль-Ляжу; определение аммиачного азота - с реактивом Несслера фотоколориметрическим методом; определение суммы обменных оснований, гидролитической кислотности - методом Каппена-Гильковица (ГОСТ 26212-84); определение кислотности почвы (рН) - потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-

85); содержание тяжелых металлов в зерне гороха, люпина, сои проводили согласно (ГОСТ 26932-86; ГОСТ 26933-86; ГОСТ 26930-86; ГОСТ 26927-86); определение лабораторной всхожести проводили в соответствии с ГОСТ 12038-84; фенологические наблюдения (Горин, 1986); площадь листьев определяли по методике Коломейченко (1971); исследование фотосинтетических показателей проводили по методике (Ничипоровича, 1961; Синяковой и Ивановой, 1981); число клубеньков на корнях растений определяли по методике Орлова и др. (1984); учет надземной фитомассы проводили по методике Посыпанова (1991); подземную фитомассу в слое 40 см (Станков, 1971); сырой протеин - методом Къельдаля (ГОСТ Р 51417-99 ИСО 5983-97); сырая зола - методы определения золы (ГОСТ 26226); сырой жир - методы определения сырого жира (ГОСТ 1349615); математическая обработка данных проведена статистическим методом по следующим критериям: коэффициент вариации (V%), средняя ошибка опыта (Sx), среднее квадрати-ческое отклонение (т), предельная ошибка опыта (t0,s) (Доспехов, 1985).

Для статистической обработки результатов исследований и их графического представления использовали программы Microsoft Excel и Statistica.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Агроэкологнческая оценка влияние отходов производства, природных минералов и зернобобовых культур на состав и свойства чернозема оподзоленного

Химические вещества, а с ними микроэлементы удобрений, мелиорантов, попадая в почву, становятся не механической примесью, а частью определенным образом организованной системы. Направленность трансформации соединений микроэлементов удобрений зависит от формы применяемых удобрений, физико-химических свойств почвы и ланд-шафтно-геохимической обстановки. Исследованиями, проведенными в течение 2005-2007 гг. на черноземах оподзоленных, дана оценка влияния фосфоритной муки, цеолитов, шлаковых отсевов и их различных сочетаний на состояние микроэлементов и эколого-геохимическую устойчивость почвы.

Содержание агрономически ценных агрегатов - важнейший показатель структурного состояния почвы: чем выше их содержание, тем лучше почва. Агрегаты размером 10-0,25 мм самые важные в агрономическом отношении.

Внесение в почву фосфоритной муки 1,5 т/га, цеолита 10 т/га, шлака 1 т/га и сочетания шлака 0,5 т/га с 5 т/га цеолита способствовало улучшению агрегатного состава пахотного горизонта и увеличению содержания агрономически ценных агрегатов. Количество воздушно-сухих агрегатов размерами 10-0,25 мм было наибольшим при внесении в почву 10 т/га цеолита - 87,79 %. Действие фосфоритной муки и шлаковых отсевов на изменение структурного состояния черноземных почв было примерно одинаковым, содержание агрономически ценных агрегатов возрастало на 0,83 - 0,99 % в сравнении с контролем и составило 81,63 - 81,79 %, соответственно. Совместное внесение 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака увеличивало оструктуривающее действие такого вида удобрительной формы на почвенные агрегаты, количество агрегатов размерами 10-0,25 мм возросло до 84,83 % или на 4,03 % превысило количество таких агрегатов в контрольном варианте (рис. 1). Качественная оценка структуры пахотного слоя чернозема оподзоленного на основании количества агрегатов агрономически ценного диапазона 10-0,25 мм характеризуется как «хорошее агрегатное состояние».

Интерес представляет содержание агрегатов размерами 0,25-3 мм, которые обеспечивают наилучшие агрономические свойства Именно эти агрегаты обеспечивают наилучшую пористость почвы, их количество самое наибольшее при внесении цеолита в почву - 58,44 % и его сочетания со шлаком - 57,33 %. Содержание агрегатов размерами 0,25-3 мм под воздействием фосфоритов и шлаков изменилось незначительно и составило 53,96 и 54,62 % соответственно, что на 1,86 - 2,52 % превышало содержание агрегатов в пахотном слое чернозема контрольного варианта.

Отличное структурное состояние пахотного слоя под воздействием различных видов геохимических стартеров убедительно подтверждается величиной коэффициента структурности, его абсолютная величина возрастает с 4,21 в контроле до 4,44-4,49 под действием фосфоритов и шлаков и до 5,59 при совместном внесении цеолита и шлака. Наибольшая величина коэффициента структурности установлена под действием 10 т/га цеолита-7,19.

100

т гс ь*

о о и

>5 X

н

2 ф

о.

80

60

40

20

к 1

1 В

ЦК 1 ш

1|| 5 щ и

Варианты опыта

3 фракции 10-0,25 мм

фракции >10+<0,25 ми

■Кстр

1-Контроль; 2- Фосфорит 1,5 т/га; 3- Цеолит 10 т/га; 4- Шлак 1 т/га;

5- Цеолит 5 т/га + Шлак 0,5 т/га

Рис. 1. Изменение агрегатного состава чернозема оподзоленного (Ап) под действием различных удобрительных форм, (2005-2007 гг.)

Содержание илистой фракции в пахотном слое почвы под химическим воздействием исследуемых удобрительных форм изменяется, так при химическом воздействии шлаков снижается содержание илистых частиц до 9,86 % и процентное содержание физической глины до 31,44 %. Исследования показали, что использование в качестве удобрительных форм природных минералов - фосфоритов в виде фосфоритной муки в дозе 1,5 т/га и цеолитов в дозе 10 т/га создают благоприятные условия для накопления в пахотном слое группы органических веществ, представленных легкоразлагаемыми органическими и лабильными гумусовыми веществами.

Отмечается снижение величины гидролитической кислотности с 2,6 до 1,31 м-экв. на 100 г почвы при использовании мелиоративных свойств цеолитов, закономерное повышение степени насыщенности основаниями с 92,6 до 96,3 %. Наблюдается увеличение содержания подвижных форм фосфора при внесении 1,5 т/га фосфоритной муки и повышение обменного калия при внесении 10 т/га цеолита и 1 т/га шлака. Улучшение почвенных условий способствует интенсификации процессов микробиологической трансформации азота в почве. Так, содержание аммиачного азота увеличивается в 2,8 раза с 1,19 до 3,31 мг на 100 г почвы, а количество нитратного азота возрастает в 1,62 раза с 11,25 мг на 100 г в контроле до 18,23 мг на 100 г, при внесении цеолита.

При внесении как шлака в дозе 1 т/га, так и фосфорита в дозе ! ,5 т/га отмечается некоторое увеличение валовых форм таких тяжелых металлов, как свинец, кадмий, цинк, никель, марганец (рис. 2). Внесение цеолита в дозе 10 т/га не приводит к достоверному изменению содержания тяжелых металлов в сравнении с контролем. Наибольшее увеличение концентрации подвижных форм таких тяжелых металлов, как (РЬ, Мп), по сравнению с контролем, отмечено при внесении фосфорита в дозе 1,5 т/га.

Так, количество свинца увеличилось в 1,7 раза, а марганца в 2,2 раза по сравнению с контролем, что привело к превышению ПДК на 12,3 мг/кг. Меньшее химическое воздействие на состав пахотного слоя чернозема оказывают шлаки, суммарный коэффициент накопления тяжелых металлов почти в 2,3 раза ниже величины суммарного коэффициента накопления тяжелых металлов, установленного при внесении фосфорита Внесение цеолита в дозе 10 т/га не вызывает техногенной консервации тяжелых металлов в пахотном слое почвы-суммарный коэффициент накопления составил 1,35.

6

¡2 4 2 2

О

Си

20 15 10 5 0

N1

2,5 2

£ 1,5

I 1

0,5 0

Со

1,1

1,05

1

0,95

2

1,5 1

0,5 0

1,04 1,02 1

0,98 0,96 0,94 0,92

25 20 15 10 5 0

Сг

400 300 | 200 : 100 0

Ли.

1,2 1,1 1

0,9

_

1

4 1 1——1 11

.1 О 1 I 1 о Ь

2,5 2

1,5 1

0,5 0

) Валовые

□ Подвижные

■ Коэффициент накопления

1 - Контроль; 2 - Фосфорит 1,5 т/га; 3 - Цеолит 10 т/га; 4 - Шлак I т/га

Рис. 2. Влияние различных сочетаний удобрительных форм на основе отходов производства и природных цеолитов на валовое содержание и концентрацию подвижных форм тяжелых металлов (мг/кг) (РЬ, Сс1, Си, '¿п, №, Сг, Со, Мп)

Почвенные условия чернозема оподзоленного и воздействие возделываемых культур оказывают значительное влияние на подвижность тяжелых металлов (табл. 1). Исследованиями показано, что использование сорбционных и мелиоративных свойств цеолитов приводит к снижению подвижности таких металлов, как кадмий, медь, цинк, никель, кобальт и марганец в сравнении с контролем. Но при этом отмечается увеличение подвижности свинца до 10,1 % от валового его содержания и на 0,5 % превышение степени подвижности свинца в контроле.

Таблица 1 - Влияние различных удобрительных форм на степень подвижности тяжелых металлов (%) в пахотном слое чернозема оподзоленного (2005-2007 гг.)

Варианты опыта Степень подвижности, %

РЬ С<3 Си Ъа. N1 Ст Со Мп

1. Контроль 9,65 25,58 4,17 5,35 7,82 1,72 10,48 43.10

2. Фосфорит 1,5 т/га. 6,52 21,05 3,04 3,39 3,05 1,47 12,22 45,45

3. Цеолит Ют/га 10,06 20,83 2,16 4,56 4,30 1,68 6,36 39,53

4. Шлак 1 т/га 9,48 24,00 2,81 3,97 5,20 1,70 41,35 39,88

При внесении шлаковых отходов возрастает подвижность кобальта до 41,4 % от его валового содержания в почве. Коэффициент суммарного накопления подвижных форм тяжелых металлов достигает значения 4,65.

Внесение фосфоритной муки обуславливает накопление тяжелых металлов, как валового содержания, так и подвижных форм. Однако, почвенные условия способствуют иммобилизации их подвижных форм, так степень подвижности по всем исследуемым металлам снижается в сравнении с контролем на 3,1 - 4,8 % и только для кобальта и марганца установлено увеличение степени подвижности на 1,7 - 2,2 % в сравнении со степенью подвижности этих металлов в контрольном варианте. Суммарный коэффициент накопления составил 3,43, что в 1,4 раза ниже величины суммарного коэффициента накопления подвижных форм тяжелых металлов, полученного при использовании шлаковых отходов.

Установлено, что исследуемые удобрительные формы на основе шлаковых отходов производства и природных минералов, приводят к накоплению в почве таких био-фильных микроэлементов, как цинк, никель, кобальт и марганец, которые необходимы для физиологических процессов, протекающих в растениях, стимулируют развитие корневой системы, повышают засухоустойчивость и способствуют формированию урожая.

Влияние удобрительных форм на микробиологический состав чернозема

оподзоленного

На рисунке 3 приведен характер изменения численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота и сложные полисахариды, и численности микроорганизмов, использующих доступное органическое вещество и органический азот. Анализ микробиологических свойств пахотного слоя чернозема оподзоленного показал, что количество микроорганизмов под действием исследуемых удобрительных свойств возрастает в сравнении с контролем. Самая максимальная численность микроорганизмов установлена при внесении в почву 10 т/га цеолита, она составила 91,3*106 КОЕ/г, что в 1,2 раза превышает численность микроорганизмов почвы контрольного варианта. При этом закономерно увеличивается численность микроорганизмов, вырастающих на КАА, она в структуре физиологических групп достигает 63,3 % от общей численности или 57,8*10 КОЕ/г.

Численность микроорганизмов, использующих органические формы азота составила 36,4 % или 33,2* 10 КОЕ/г. Данное соотношение обусловило значение коэффициента минерализации - 1,74. Проявление удобрительных и сорбционных свойств цеолита в почве обуславливало увеличение численности целлюлозоразлагающих групп микроорганизмов в 1,63 раза в сравнении с контролем.

Активизация микробиологической трансформации органо-минеральных соединений почвы под действием цеолитов способствовало увеличению численности грибной микрофлоры в 1,5 раза. По характеру действия на состояние микробиоценозов пахотного слоя, шлаковые отходы приближаются к действию цеолитов.

3 4

Варианты I

Использующие органические формы азота (МПА) Использующие минеральные формы азота (КАА) Коэффициент минерализации

1- Контроль; 2- Фосфорит 1,5 т/га; 3- Цеолит 10 т/га; 4- Шлак 1 т/га.

Рис. 3. Влияние шлаковых отходов производства и природных минералов на микробиологический состав почвы, 10б КОЕ/г абсолютно сухого вещества и на коэффициент минерализации, ед. 2005-2007 гг.

Внесение фосфоритной муки в дозе 1,5 т/га также способствовало увеличению общей численности микроорганизмов до 83,1*10 КОЕ/г, при этом закономерности в изменении соотношения физиологических групп микроорганизмов сохраняются, так численность микроорганизмов, вырастающих на КАА, составляет 62,5 % от общей численности микробоценоза, а численность микроорганизмов, использующих органический азот, составила 37,2 %. Данное соотношение хотя и снижает абсолютное значение коэффициента минерализации, но он остается высоким - 1,68.

Самая наименьшая численность микроорганизмов установлена в контрольном варианте - 75,7* 106 КОЕ/г, где соотношение групп микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, и группы микроорганизмов, использующих органические формы азота, снижается до 1,45. Отмечается увеличение численности целлюлозоразлагаю-щих микроорганизмов и грибной микрофлоры в пахотном слое чернозема при внесении фосфоритной муки и цеолита.

Влияние удобрительных форм на формирование корневой системы и симбиотического аппарата зернобобовых культур

Изучение влияния шлаковых отходов производства и природных минералов на развитие корневой системы зернобобовых культур и образование клубеньков показало различную отзывчивость сортов гороха, сои и люпина на исследуемые удобрительные средства и погодные условия.

Как видно из рисунка 4. масса корней в слое почвы 0-40 см у гороха Батрак варьировала от 3,56 т/га в контроле до 5,08 т/га при сочетании 5 т/га цеолита со шлаком в дозе 0,5 т/га в среднем за три года. Масса корней у гороха Орловчанин, в среднем за три года, превысила этот показатель у гороха Батрак. Так максимальная масса корней - 5,39-5,48 т/га у гороха Орловчанин установлена при внесении шлака в дозе 1 т/га и сочетания 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака Максимальная масса корней у сои Ланцетная, в среднем за три

года, установлена при внесении цеолита в дозе 10 т/га и составила 8,14 т/га, что превысило контроль в 1,6 раза. Масса корней у люпина узколистного Кристалл была наибольшей в сравнении с исследуемыми культурами. При этом наименьшая сухая биомасса корней 6,38 т/га отмечена в контрольном варианте, наибольшая - 10,61 т/га при внесении сочетания 1 т/га фосфорита с 5 т/га цеолита и превысила контрольный вариант в 1,7 раза.

12 10 8

2 6

р 4

2 0

1 23456789 10 11

Варианты опыта

■Батрак п Орловчанин аЛанцетная О Кристалл

1- Контроль; 2- Фосфорит 1 т/га; 3- Фосфорит 1,5 т/га; 4- Цеолит 5 т/га; 5- Цеолит 10 т/га; 6- Шлак 0,5 т/га; 7- Шлак 1 т/га; 8- Шлак 1,5 т/га; 9 - Фосфорит 1 т/га + Шлак 0,5 т/га; 10- Фосфорит 1 т/га + Цеолит 5 т/га; 11- Цеолит 5 т/га + Шлак 0,5 т/га

Рис. 4. Влияние природных минералов и отходов производства на массу корней зернобобовых культур в слое почвы 0-40 см, т/га

По экологической устойчивости к уровням химических воздействий и количеству корневых остатков, поступающих в почву, изучаемые зернобобовые культуры можно расположить в следующий ряд: люпин узколистный Кристалл > горох Орловчанин > соя Ланцетная > горох Батрак и рекомендовать использовать эколого-стабилизирующие свойства зернобобовых культур для фитомелиорации.

Как видно из рисунка 5, наименьшее количество клубеньков - 7,5 млн. шт/га у гороха Батрак отмечено контрольном варианте, а наибольшее при внесении шлак в дозе 1 т/га и составило 11,3 млн. шт/га и сочетании 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака - 11,4 млн. шт/га, что превысило контроль в 1,5 раза в среднем за три года исследований. Количество клубеньков у гороха Орловчанин в среднем за три года варьировало от 7,0 млн. шт/га в контроле до 12,7 млн. шт/га в варианте (цеолит 5 т/га + шлак 0,5 т/га).

Наименьшее количество клубеньков - 4,9 млн. шт/га у сои Ланцетная отмечено в контроле, а наибольшее - 7,9 млн. шт/га при внесении сочетания 1 т/га фосфорита с цеолитом в дозе 5 т/га. У люпина Кристалл количество клубеньков варьировало от 7,3 млн. шт/га в контроле до 12,9 - 13,1 млн. шт/га при внесении 10 т/га цеолит и сочетания 1 т/га фосфорита с 5 т/га цеолита.

Анализ полученных данных показал, что исследуемые удобрительные формы не только обогащают почву макро и микроэлементами, но и создают благоприятные условия для развития корней и максимального симбиотического аппарата.

Нами установлено, что наибольшее количество клубеньков на корнях растений гороха сортов Батрак (11,4 млн. шт/га) и Орловчанин (12,7 млн. шт/га), в среднем за годы исследований, установлено при внесении шлака в дозе 1 т/га и сочетания 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака. Для растений сои Ланцетной и люпина узколистного Кристалл максимальное количество клубеньков на корнях растений было отмечено при внесении 1 т/га фосфорита в сочетании с 5 т/га цеолита и составило в среднем за три года для сои -7,9 млн. шт/га, для люпина - 13,1 млн. шт/га). С увеличением уровня химического воздействия шлаковых отходов на почву и растения активность симбиотического аппарата зернобобовых культур снижалась в ряду: горох - люпин - соя.

12 10 8

2 6

ь

4

2 0

1 23456789 10 11

Варианты опыта ■ Батрак В Орловчанин □ Ланцетная Кристалл

1- Контроль; 2- Фосфорит 1 т/га; 3- Фосфорит 1,5 т/га; 4- Цеолит 5 т/га; 5- Цеолит 10 т/га; б- Шлак 0,5 т/га; 7- Шлак 1 т/га; 8- Шлак 1,5 т/га; 9- Фосфорит 1 т/га + Шлак 0,5 т/га; 10- Фосфорит 1 т/га + Цеолит 5 т/га; 11- Цеолит 5 т/га + Шлак 0,5 т/га

Рис. 5. Влияние отходов производства и природных минералов на количество клубеньков на корнях зернобобовых культур, млн. шт./га

Влияние исследуемых факторов на лабораторную и полевую всхожесгь семян гороха

Проведенные лабораторные исследования показали высокую отзывчивость семян гороха на предпосевную обработку сухим и полувлажным способом шлаком и цеолитом.

Облучение семян гороха способствует повышению энергии прорастания на 6,3 %, а всхожести на 6,8 %, в среднем за два года Обработка семян гороха шлаком сухим и полувлажным способом повышает качество посевного материала, так величина энергии прорастания увеличилась на 14,3 %, а всхожесть возрастала на 9,3 %, в среднем за два года исследований. Предпосевная обработка семян гороха цеолитом сухим и полувлажным способом обеспечила рост энергии прорастания семян на 12,2 %, всхожесть увеличивалась на 7,2 %. Семена гороха, обработанные шлаком и цеолитом, обладали высокой способностью к прорастанию при глубоком посеве и имели самые высокие значения коэффициента надежности и биометрические показатели проростков.

Наибольшая полевая всхожесть у гороха сортов Батрак и Орловчанин отмечена при внесении шлака в дозе 1 т/га и совместного внесения 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака и составила 84,69-85,37 % у гороха Батрак и 85,66-85,68 % у гороха Орловчанин. Применение цеолита в дозе 10 т/га способствовало повышению полевой всхожести у сои сорта Ланцетная до 84,7 %, что превысило контроль на 5,4 % в среднем за три года. Максимальная полевая всхожесть у люпина сорта Кристалл составила - 85,91 % при внесении шлака в дозе 1 т/га и 86,29 % при внесении 10 т/га цеолита В контрольном варианте всхожесть составила - 80,34%. Нами отмечено незначительное снижение полевой всхожести в экстремальных погодных условиях при внесении шлака в максимальной дозе 1,5 т/га. Но даже в этом случае всхожесть превышает контроль в среднем за три года.

Влияние исследуемых удобрительных форм на фотосинтетическую деятельность

зернобобовых культур

Как показали исследования, на интенсивность фотосинтеза зернобобовых культур значительное влияние оказывают: площадь листовой поверхности, фаза развития растения и эффективность действия испытуемых удобрительных форм. Мощность фотосинтетического аппарата характеризуется не только площадью листьев, но и показателем фотосинтетического потенциала (ФП). Наиболее высокие показатели ФП получены у растений сои и гороха. Самый низкий показатель ФП установлен для растений люпина узколистного. Интенсивность фотосинтетической работы листьев растений характеризуется чистой продуктивностью фотосинтеза (ЧПФ) (рис. 6 а-г).

Горох сорт "Батрак" (а)

10 11 Варианты опыта

Горох сорт "Орловчанин" (б)

10 11 Варианты опыта

Соя сорта "Ланцетная" (в)

в ь

4 5 6 7 8 9

Люпин сорт "Кристалл" (г)

10 11 Варианты опыта

г 2

11,5

0

1 0,5

I 0

т 7 8 5 4

3 2 1 0

10 11 Варианты опыта

' | Фотосинтетический потенциал —«— Чистая продуктивность фотосинтеза /- Контроль; 2- Фосфорит 1 т/га; 3- Фосфорит 1,5 т/га; 4- Цеолит 5 т'га; 5- Цеолит 10 т/га; 6- Шлак 0,5 т/га; 7- Шлак 1 т/га; 8- Шлак 1,5 т/га; 9- Фосфорит 1 т/га + Шлак 0,5 т/га; 10- Фосфорит 1 т/га + Цеолит 5 т/га; 11- Цеолит 5 т/га + Шлак 0,5 т/га.

Рис. 6 (а-г). Влияние отходов производства и природных минералов на ФП, млн. м2 сутки/га и ЧПФ, г/м2 сутки, зернобобовых культур, 2005-2007 гг.

Нами установлено изменение показателей фотосинтетической деятельности зернобобовых культур при внесении шлаковых отходов производства, природных минералов и их сочетаний в условиях чернозема оподзоленного.

Наибольшую отзывчивость на действие шлака в дозе 1 т/га и сочетание 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака в виде активизации фотосинтеза проявляют растения гороха сорта Батрак и Орловчанин. Растения сои Ланцетная проявили большую активность фотосинтеза при внесении цеолита в дозе 10 т/га и сочетания 1 т/га фосфорита с 5 т/га цеолита. Растения люпина Кристалл имели лучшие показатели фотосинтетической деятельности при внесении в почву фосфорита в дозе 1,5 т/га и цеолита в дозе 10 т/га.

Исследованиями доказано, что испытуемые зернобобовые культуры чувствительны к загрязнению почв тяжелыми металлами, создаваемому при внесении в почву шлака в дозе 1,5 т/га, что обусловило снижение фотосинтетической деятельности и биопродуктивности.

Продуктивност ь зернобобовых культур при использовании отходов производства и

природных минералов

Использование удобрительных свойств природных минералов, отходов производства и их сочетаний приводит к улучшению морфобиологических показателей растений и повышение урожайности исследуемых зернобобовых культур во всех вариантах опыта (табл. 2).

Максимальная урожайности у сортов гороха Батрак - 2,63 т/га и Орловчанин -2,27 т/га, получена при внесении сочетания цеолита в дозе 5 т/га со шлаком в дозе 0,5 т/га, что подтверждает эффективность их совместного внесения. Наибольшая прибавка 47,6 % по сравнению с контролем у сои Ланцетная установлена при внесении 10 ц/га цеолита, при этом урожайность составила-1,73 т/га

У люпина узколистного Кристалл наибольшая урожайность - 2,05 т/га получена при внесении сочетания 1 т/га фосфорита с 5 т/га цеолита. В экстремальных погодных условиях высокие дозы шлака были менее эффективными и снижали продуктивность культур.

Внесение цеолита и его сочетаний с фосфоритом и шлаком повышает устойчивость зернобобовых культур к экстремальным погодным условиям и их урожайность.

Эколого-экономическая эффективность применения исследуемых удобрительных форм на зернобобовых культурах

Использование нетрадиционных удобрительных форм на основе фосфоритов Дмитровского месторождения, цеолитов Хотынецкого месторождения и шлаковых отсевов не приводит к загрязнению продукции тяжелыми металлами (свинец, кадмий) и радионуклидами (стронций-90 и цезий-137). Ни в одном варианте не установлено превышения максимально допустимого уровня содержания исследуемых металлов в зерне зерновых бобовых культур.

Внесение 1 т/га шлака обеспечивает рост рентабельности производства у гороха сорта «Батрак» на 30,8 %, и на 32,2 % сои сорта «Ланцетная». Наибольший экономический эффект получен при совместном внесении 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака при возделывании гороха сорта «Орловчанин» и внесении 10 т/га цеолита под люпин узколистный сорта «Кристалл».

Таблица 2 - Влияние природных минералов и отходов производства _на урожайность зернобобовых культур, т/га, 2005-2007 гг._

Варианты опыта Горох Батрак Горох Орловчанин Соя Ланцетная Люпин Кристалл

2005 год 2006 год 2007 год среднее 2005 год 2006 год 2007 год среднее 2005 год 2006 год 2007 год среднее 2005 год 2006 год 2007 год среднее

ГТК 1,0 1,9 1,1 1,2 1,0 1,9 1,1 1,2 1,0 1,9 1,1 1,2 1,0 1,9 1,1 1,2

1.Контроль 1,87 2,53 1,15 1,85 1,81 2,05 0,98 1,62 1,16 1,13 1,22 1,07 1,36 1,65 0,82 1,28

2.Фосфорит, 1 т/га 2,06 2,94 1,21 2,07 1,93 2,22 1,43 1,86 1,22 1,21 1,46 1,30 1,74 2,13 1,06 1,65

З.Фосфорит, 1,5 т/га 2,31 3,10 1,34 2,25 1,78 2,27 1,65 1,90 1,23 1,20 1,58 1,34 1,95 2,24 1,14 1,78

4Деолит, 5 т/га 2,44 2,84 1,52 2,27 1,74 2,36 1,83 1,97 1,27 1,39 1,80 1,49 1,85 2,06 1,20 1,70

5.Цеолит, Ют/га 2,46 3,18 1,73 2,46 2,37 2,53 1,60 2,17 1,48 1,64 2,06 1,73 2,22 2,14 1,48 1,94

б.Шлак, 0,5 т/га 2,51 3,12 1,59 2,41 1,79 2,19 1,86 1,94 1,35 1,36 1,65 1,45 1,77 2,10 1,19 1,69

7.Шлак, 1,0 т/га 2,65 3,24 1,85 2,58 2,43 2,65 1,57 2,21 1,41 1,46 1,87 1,58 1,98 2,06 1,22 1,75

8.1Плак, 1,5 т/га 2,07 3,15 1,34 2,19 1,72 2,12 1,92 1,92 1,21 1,28 1,59 1,36 1,78 2,01 1,10 1,63

9.Фосфорит 1 т/га + Шлак 0,5 т/га 2,29 3,42 1,54 2,42 1,90 2,20 1,85 1,98 1,35 1,31 1,67 1,44 1,84 2,27 1ДЗ 1,75

10.Фосфорит 1 т/га+ Цеолит 5 т/га 2,37 3,29 1,40 2,35 1,87 2,16 1,87 1,97 1,53 1,48 1,96 1,65 2,15 2,42 1,57 2,05

11 .Цеолит 5 т/га + Шлак 0.5 т/га 2,46 3,55 1,88 2,63 2,36 2,77 1,68 2,27 1,46 1,44 1,75 1,55 1,86 2,25 1,18 1,76

НСР05 0,12 0,19 0,04 0,10 0,04 0,26 0,01 0,03 0,13 0,14 0,17 0,13

ВЫВОДЫ

1. Отличное структурное состояние пахотного слоя под воздействием различных видов геохимических стартеров убедительно подтверждается величиной коэффициента структурности, его абсолютная величина возрастает с 4,21 в контроле до 4,44-4,49 под действием фосфоритов и шлаков и до 5,59 при совместном внесении цеолита и шлаков. Самая наибольшая величина коэффициента структурности установлена под действием 10 т/га цеолита - 7,19. Содержание агрегатов размерами 0,25-3 мм, которые обеспечивают наилучшие агрономические свойства, самое наибольшее при внесении цеолита в почву - 58,44 % и его сочетания со шлаком - 57,33 %.

2. Установлено снижение величины гидролитической кислотности с 2,6 м-экв. на 100 г почвы в контроле до 1,31 м-экв. на 100 г почвы при использовании мелиоративных свойств цеолитов, закономерное повышение степени насыщенности основаниями в пахотном слое чернозема оподзоленного с 92,6 % до 96,3 %. Наблюдается увеличение содержания подвижных форм фосфора, особенно при внесении 1,5 т/га фосфоритной муки и повышение обменного калия при внесении 10 т/га цеолита и 1 т/га шлака Содержание аммиачного азота увеличивается в 2,8 раза с 1,19 до 3,31 мг на 100 г почвы, а количество нитратного азота возрастает в 1,62 раза с 11,25 мг на 100 г в контроле до 18,23 мг на 100 г, при внесении цеолита.

3. Основным фактором химического воздействия тяжелых металлов на чернозем оподзоленный является фосфоритная мука. Меньшее химическое воздействие на состав пахотного слоя чернозема оказывают шлаки, суммарный коэффициент накопления тяжелых металлов почти в 2,3 раза ниже величины суммарного коэффициента накопления тяжелых металлов, установленного при внесении фосфорита. Внесение цеолита в дозе 10 т/га не вызывает техногенной консервации тяжелых металлов в пахотном слое почвы -суммарный коэффициент накопления составил 1,35. Установлено, что исследуемые удобрительные формы на основе шлаковых отходов производства и природных минералов, приводят к накоплению в почве таких биофильных микроэлементов, как цинк, никель, кобальт и марганец, которые необходимы для физиологических процессов, протекающих в растениях, стимулируют развитие корневой системы, повышают засухоустойчивость и способствуют формированию урожая.

4. Анализ биологических свойств пахотного слоя чернозема оподзоленного показал отсутствие нарушений жизненных функций исходного биогеоценоза с сохранением полезного средообразующего генофонда в почвенной биоте, обеспечивающей устойчивость чернозема как биокосной системы. Самая максимальная численность микроорганизмов установлена при внесении в почву 10 т/га цеолита - 91,3*106 КОЕ/г при этом группе микроорганизмов, вырастающих на КАА в структуре физиологических групп достигает 63,3 % от общей численности. По характеру действия на состояние микробиоценозов пахотного слоя, шлаковые отходы и фосфоритная мука приближаются к действию цеолитов. Общая численность микроорганизмов составила - 86,21* 106 КОЕ/г при внесении шлака и - 83,1* 106 КОЕ/г при внесении фосфорита.

5. По экологической устойчивости к уровням химических воздействий и эколого-стабилизирующей роли в агроландшафтах изучаемые зернобобовые культуры можно располагать в следующий ряд: люпин узколистный Кристалл > горох Орловчанин > соя Ланцетная > горох Батрак. Установлено, что в условиях опыта люпин является лучшей культурой для запашки его в качестве сидерата и использования при регультивации нарушенных и загрязненных земель, так как формирует наибольшую биомассу надземной - 32,05 т/га и подземной частей растений - 10,61 т/га.

6. Установлено, что внесение в почву фосфоритной муки, цеолита, шлаковых отходов и их сочетаний способствует созданию благоприятных условиий для симбиоза Наибольшее количество клубеньков на корнях растений гороха сортов Батрак (11,4 млн. шт/га) и Орловчанин (12,7 млн. шт/га), в среднем за годы исследований, установлено

при внесении шлака в дозе 1 т/га и сочетания 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака. Для растений сои Ланцетной и люпина узколистного Кристалл максимальное количество клубеньков на корнях растений было отмечено при внесении 1 т/га фосфорита в сочетании с 5 т/га цеолита и составило в среднем за три года для сои - 7,9 млн. шт/га, для люпина -13,1 млн. шт/га). С увеличением уровня химического воздействия шлаковых отходов на почву и растения активность симбиогического аппарата зернобобовых культур снижалась в ряду: горох - люпин - соя.

7. Обработка посевного материала гороха шлаковыми отходами в дозе 50 кг на одну тонну семян сухим и полувлажным способом для повышения посевных качеств и силы роста является выгодным приемом повышения урожайности и рентабельности на 61,3 %.

8. Доказано, что использование удобрительных свойств фосфоритов (1-1,5 т/га), цеолитов (5-10 т/га) и шлаковых отходов (0,5-1,5 т/га) и их сочетаний обеспечивает рост биологической продуктивности зернобобовых куль-тур: горох сорта «Батрак» на 12,0-42,1 %, горох сорта «Орловчанин» на 14,8-36,7 %, соя сорта «Ланцетная» на 10,8-47,6 %, люпин узколистный «Кристалл» (зеленая масса) 27,8-51,9 %, а также повышение качества продукции: белка на 1,7-1,9 у гороха и 5,02-6,7 у люпина.

9. Внесение 1 т/га шлака обеспечивает снижение себестоимости на 61,5 руб. за 1 ц у гороха сорта «Батрак» и на 84,3 руб. за 1 ц у сои сорта «Ланцетная», а также рост рентабельности производства на 27,3 - 32,2 %, соответственно. При совместном внесении 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака себестоимость производства у гороха сорта «Орловчанин» снизалась до 319,6 руб. за 1 ц, а рентабельность возросла до 40,8 %. Внесение 10 т/га цеолита при возделывании люпина узколистного Кристалл, является экономически обоснованным и выгодным, наблюдается снижение себестоимости продукции до 339,6 руб. за 1 ц. и рост рентабельности на 23,5 % в сравнении с контролем.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Рекомендовать предпосевную обработку семян гороха шлаком для повышения всхожести, силы роста и улучшения условий прорастания в экстремальных погодных условиях сухим и полувлажным способом в дозе 50 кг/т семян.

2. Целесообразно использование эколого-стабилизирующих и фитомелиоратив-ных свойств люпина узколистного сорта «Кристалл» и гороха сорта «Орловчанин» для воспроизводства плодородия деградированных черноземов лесостепи.

3. Рекомендовать применение удобрительных свойств природных фосфоритов в дозе 1,5 т/га, цеолитов в дозе 10 т/га и шлаковых отходов в дозе 1 т/га для повышения продуктивности культур и плодородия черноземов оподзоленных. Применение фосфоритной муки Дмитровских фосфоритов и шлаковых отходов требует проведения мониторинга микроэлементного состава почв и растений, находящихся в зонах техногенного воздействия.

4. Рекомендовать использование под горох сортов «Батрак» и «Орловчанин» 1 т/га шлака и совместное внесение 5 т/га цеолита с 0,5 т/га шлака, а под сою Ланцетная и люпин Кристалл 1 т/га шлака и 10 т/га цеолита, которые по своему химическому воздействию на почву, продуктивность культур и качество продукции являются экономически выгодными и экологически безопасными приемами.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Степанова Л.П. Агроэкологическая эффективность способов оценки качества посевного материала гороха под воздействием различных факторов / Степанова Л.П., Самарина A.A., Половитсков В.А. // Пути повышения устойчивости сельскохозяйственного производства в современных условиях. - Орел.: 2005. - С. 268-277.

2. Степанова Л.П. Способ обогащения почвы при возделывании сельскохозяйственных культур и декоративных растений / Степанова Л.П., Половитсков В.А., Тихойки-на И.М., Черный Е.С. // Изобретения полезные модели № 6. - 2007. - С. 277

3. Степанова Л.П. Экологическая оценка действия шлаковых отходов и природных минералов на рост и развитие зерновых бобовых культур / Степанова Л.П., Половитсков В.А. // Вклад молодых ученых в реализацию приоритетных направлений развития АПК. - ОрелГАУ. - 2007. - С. 112-114

4. Степанова Л.П. Фотосинтетическая деятельность зернобобовых культур при применении отходов производства и природных минералов / Степанова Л.П., Половитсков В.А. // Плодородие. - № 37. - 2007. - С. 27

5. Степанова Л.П. Оценка экологической эффективности зерновых бобовых культур в фитомелиорации деградированных почв / Степанова Л.П., Половитсков В.А. // Актуальные направления развития сельскохозяйственной науки. -ОрелГАУ. - 2008. - С. 129-133

6. Степанова Л.П. Влияние нетрадиционных удобрительных форм на продуктивность зернобобовых культур / Степанова Л.П., Половитсков В.А., Тихойки-на И.М. // Земледелие. - № 3. - 2008. - С. 24-25.

7. Степанова Л.П. Экологическая оценка влияния вермикультуры на свойства вермикомпостов / Степанова Л.П., Половитсков В.А., Таракин A.B. Н Земледелие. - № 4. - 2008. - С. 24-25.

8. Патент на изобретение №2294076 РФ, МПК А01В 79/02 Способы обогащения почвы при возделывании сельскохозяйственных культур и декоративных растений /Степанова Л.П., Половитсков В.А., Тихойкина И.М., Черный Е.С. №2005127404; заявка 31.08.2005; опубл. 27.02.2007, Бюл. №6

9. Заявка на изобретение № 2008105367 от 12.02.2008 г. «Способ получения вер-микомпоста» / Степанова Л.П., Половитсков В.А., Таракин A.B.

Издательство Орел ГАУ, 2008, Орел, Бульвар Победы, 19. Заказ 153. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Половитсков, Владимир Александрович

Введение

Глава 1 Обзор литературы. Агроэкологическая оценка устойчивости природных и агроландшафтов к техногенезу

1.1. Влияние техногенеза на экологическую устойчивость агроландшафтов

1.2. Устойчивость природных и сельскохозяйственных растений к техногенному загрязнению

1.3. Экологическая оценка отходов производства и направление их использования

Глава 2 Время, место, условия и методы проведения исследований—

2.1 Характеристика почвенных условий

2.2 Агрометеорологические условия в годы исследования

2.3 Объекты исследования

2.4 Программа проведения исследований

2.5 Методика выполнения исследований

Глава 3 Экспериментальная часть

3.1 Агроэкологическая оценка влияния отходов производства, природных минералов и зернобобовых культур на состав и свойства чернозема оподзоленного

3.2 Влияние удобрительных форм на основе шлаковых отходов, природных цеолитов и фосфоритов на содержание тяжелых металлов и их подвижность в пахотном слое чернозема оподзоленного

3.3 Влияние удобрительных форм на микробиологический состав чернозема оподзоленного

3.4 Влияние удобрительных форм на формирование корневой системы зернобобовых культур

3.5 Влияние удобрительных форм на формирование симбиотического аппарата зернобобовых культур

Глава 4 Экологическая оценка различных приемов повышения посевных качеств зернобобовых культур

4.1 Влияние исследуемых удобрительных форм на лабораторную всхожесть и энергию прорастания семян гороха

4.2 Экологическая оценка влияния различных факторов на длину проростков и корней гороха

4.3 Оценка влияния исследуемых удобрительных форм на силу роста гороха в конусных цилиндрах

4.4 Влияние исследуемых удобрительных форм на полевую всхожесть зернобобовых культур

Глава 5 Агроэкологическая эффективность применения природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов на зернобобовых культурах—

5.1 Влияние исследуемых удобрительных форм на фотосинтетическую деятельность зернобобовых культур

5.2 Продуктивность зернобобовых культур при использовании отходов производства и природных минералов

Глава 6 Эколого-экономическая эффективность применение исследуемых удобрительных форм на зернобобовых культурах

Выводы

Рекомендации производству

Введение Диссертация по биологии, на тему "Влияние природных минералов, отходов производства и зернобобовых культур на эколого-геохимическую устойчивость чернозема оподзоленного"

Актуальность темы. Рассматривая экологическое значение почв на ландшафтном уровне, следует отметить, что они, занимая центральное место в ландшафтных системах, тесно связаны с остальными компонентами ландшафта водными и воздушными геохимическми потоками вещества. Происходящие в почвах процессы контролируют химический состав поверхностных и грунтовых вод, определяют в значительной мере благодаря «дыханию почв», газовый состав приземной атмосферы. Поэтому нормальное функционирование почв как биокосных природных и природно-антропогенных подсистем в ландшафтных системах имеет большое значение для экологической устойчивости ландшафта в целом.

В ряду депонирующих природных сред почвы испытывают наибольший техногенный пресс химических элементов, поступающих с атмосферными осадками, осаждающихся в виде сухих аэрозолей, привносимых с удобрениями, ядохимикатами, различного рода компостами, а также при аварийных ситуациях. Химические загрязняющие вещества поступают в основной массе на поверхность и в верхние, наиболее логически ранимые горизонты почв.

Судьба поступающих в почву техногенных химических веществ различна. Наиболее устойчивые в данных биоклиматических и почвенно-биохимических условиях накапливаются в малоподвижных формах. Другие, претерпевая ряд химических превращений и вступая в реакции с органическими и минеральными соединениями почвы, изменяют ее свойства. Третья группа химических соединений - самая подвижная, образующая истинные или коллоидные растворы, в почвах с промывным или периодически промывным режимом выносятся за пределы почвенной толщи, достигают уровня грунтовых вод и загрязняют последние или выносятся поверхностно-склоновым стоком в местные депрессии и водоемы и образуют в геохимически подчиненных звеньях ландшафтов локальные очаги интенсивного загрязнения.

Устойчивость почв по отношению к различным загрязнителям неодинакова. Для прогноза изменения почвенно-экологической обстановки необходимо учитывать химический состав загрязняющих техногенных веществ, степень буферности и возможные направления ответных реакций почв на данный конкретный тип химического воздействия. Эти обстоятельства вызвали необходимость проведения исследований по эколого-геохимической оценки устойчивости черноземов региона и экспериментального подтверждения возможности восстановления экологического равновесия в результате рационального и безопасного для окружающей среды внесения удобрительных средств на основе природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов производства и эколого-стабилизирующего значения зернобобовых культур.

Цель наших исследований — оценить эколого-геохимическую устойчивость чернозема оподзоленного и эколого-стабилизирующую роль зернобобовых культур (горох, соя, люпин), при воздействии различных видов геохимических стартеров (шлаковые отходы производства, природные фосфориты и цеолиты).

Задачи исследований:

1. Изучить влияние фосфоритной муки, цеолита, шлаковых отходов и их сочетаний на агрофизические, физико-химические и биологические свойства чернозема оподзоленного.

2. Исследовать влияние изучаемых геохимических стартеров на валовое содержание тяжелых металлов и образование их подвижных форм в пахотном слое чернозема оподзоленного.

3. Определить формирование симбиотического аппарата различных видов зернобобовых культур (горох, соя, люпин) в зависимости от применения природных минералов и шлаковых отходов.

4. Установить влияние удобрительных свойств фосфоритной муки, цеолита и шлаковых отходов на посевные качества зернобобовых культур.

5. Выявить влияние различных доз фосфоритной муки, цеолита, шлаковых отходов и их сочетаний на ростовые процессы и фотосинтетическую деятельность, продуктивность и качество продукции зернобобовых культур.

6. Эколого-экономическая оценка продуктивности различных видов зернобобовых культур и устойчивости чернозема оподзоленного, под воздействием природных минералов и шлаковых отходов.

Научная новизна исследований. Впервые в условиях черноземов лесостепной зоны европейской части России проведены комплексные исследования экологической устойчивости и плодородия черноземов оподзолен-ных и продуктивности зернобобовых культур к воздействию различных видов химических соединений. В приоритетном порядке решены следующие вопросы:

1. Показана эколого-геохимическая устойчивость чернозема оподзоленного среднесуглинистого к химическим воздействиям нетрадиционных удобрительных форм на основе природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов производства;

2. Определены величины накопления и степени подвижности тяжелых металлов в пахотном слое почвы. Доказано, что внесение фосфоритной муки и шлаковых отходов в высоких дозах (1-1,5 т/га) обуславливает техногенную консервацию таких тяжелых металлов, как свинец, кадмий, никель, марганец - для фосфоритной муки, свинец, кобальт — для шлаков;

3. Разработан и апробирован способ предпосевной обработки семян гороха шлаком и цеолитом в дозе 50 кг на 1 т семян;

4. Установлена эколого-стабилизирующая роль зернобобовых культур в воспроизводстве плодородия чернозема оподзоленного к техногенным воздействиям;

5. Дана оценка экономической эффективности использования удобрительных свойств шлаковых отходов производства, природных цеолитов и фосфоритов.

Практическая значимость. Для практического использования разработан способ повышения посевных качеств гороха, позволяющий повышать урожайность и экологическую устойчивость растений к экстремальным погодным условиям. Разработаны приемы эффективного и экологически безопасного применения природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов при возделывании гороха, сои, люпина на черноземах оподзоленных.

Результаты исследований служат теоретической и практической основой регламентирования использования эколого-стабилизирующих и фито-мелиоративных свойств люпина узколистного Кристалл и гороха Орловча-нин и удобрительных свойств природных фосфоритов, цеолитов и шлаковых отходов для воспроизводства плодородия деградированных черноземов лесо-степей и повышения продуктивности культур.

Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке агрономов, экологов, зоотехников, ветеринаров, инженеров-механиков в Орловском государственном аграрном университете.

Реализация работы. Изучения эколого-геохимической устойчивости чернозема оподзоленного и эколого-стабилизирующей роли зернобобовых культур прошли производственную проверку в ЗАО «Куракинское», Свердловского района и ОАО «Агрофирма Мценская» Мценского района Орловской области и подтвердили выводы, изложенные в диссертационной работе. Они предложены для внедрения и в других сельскохозяйственных предприятиях Орловской области и региона в целом, с целью создания приемов воспроизводства плодородия деградированного чернозема оподзоленного.

Апробация работы. Исследования были выполнены в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет». Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на Всероссийском конкурсе на лучшую работу среди аспирантов и молодых ученых г. Воронеж ВГАУ имени К.Д. Глинки (2007 г.), на базе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева стал Лауреатом «Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых сельскохозяйственных вузов» г. Москва (2007 г.), научно-практических конференциях ОрелГАУ (2005, 2006, 2007, 2008 гг.), научных конференциях «неделя науки» ОГУ (2005, 2006, 2007 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы семь работ, из них четыре в журналах реферируемых ВАК. Приоритетность научных изысканий подтверждена одним патентом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 239 наименования, в том числе 27 на иностранном языке, общий объем диссертации составляет 207 страниц, включая 33 таблицы, 26 рисунков и 52 приложения.