Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние различных видов вермикомпоста на поведение цезия-137 и тяжелых металлов в системе почва-растение

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние различных видов вермикомпоста на поведение цезия-137 и тяжелых металлов в системе почва-растение"

На правах рукописи

ТКАЧЕНКО ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ВЕРМИКОМПОСТА НА ПОВЕДЕНИЕ ЦЕЗИЯ-137 И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

Специальность 03.00.16-экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2002

Диссертация выполнена на кафедре охраны труда и окружающей среды Орловского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор B.C. Громова.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессорО.А. Соколов,

кандидат сельскохозяйственных наук, доцентТ.Ф. Макеева.

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский институт агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО).

Защита состоится 22 мая 2002 г. в 17.00 часов на заседании диссертационного совета Д.220.43.03 в Московской сельскохозяйственной академии имени К.А.Тимирязева по адресу: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49, Ученый Совет МСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева.

Автореферат разослан 2002 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор

В.А. Калинин

2004-4 12228

Шзаи

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Вовлечение в биологический круговорот различных токсичных веществ в результате деятельности человека породило многоплановые проблемы, в том числе оценку накопления и распределения радиоактивного цезия и тяжелых металлов в системе почва-растение. Цезий-137 - основной дозообразующий радионуклид после аварии на Чернобыльской АЭС и тяжелые металлы обладают способностью аккумулироваться в гумусном слое почвы. По экологическим цепочкам они поступают в различные органы растений, а затем с продуктами питания - в организм человека. Жизненно важной проблемой является предотвращение кумуляции поллютантов в хозяйственно ценной части растения путем внесения в почву субстратов, обладающих свойствами адсорбентов.

Экологически безопасным для почвы способом снижения скорости миграции радионуклидов и тяжелых металлов в системе почва-растение является применение вермикомпостов, в основном из навоза сельскохозяйственных животных (И.А. Мельник, 1991; В.А. Касатиков, М.Е. Кравченко, С.М Куленичев, 1992; Г.В Юхимчук, Гуцулян В Д, 1992; Б.Г. Стадник,1994; В.С Громова, М.В. Палий, 1994; B.C. Громова, 1996 и др.).

В связи с тем, что многие производства сопровождаются образованием органических трудноразлагаемых отходов, проводятся исследования по возможности получения и агроэкологической оценке вермикомпоста из нетрадиционного сырья - лигнина, древесных опилок и др. Дополнительно при этом решается задача утилизации отходов, обусловливающих накопительное загрязнение биосферы (Л.А. Варфоломеев, Т.Б. Лагутина, 1992; Д.С. Орлов, Я.М. Аммосова, Л К. Садовникова и др. 1994; Я. М. Аммосова, Д.С. Орлов, Л.К. Са-довникова, О.С Якименко, 1994, H.A. Лучкин, 1994; Т.Б. Лебедева, H.H. Толо-чек, Е.В. Надежкина, С.Г Горюнов, 1996 и др.). Для многих агропромышленных регионов таким сырьем может стать лузга семян. Глубоких, детальных исследований по этой проблеме нет.

Имеющиеся данные в литературе освещают в основном вопросы влияния различных видов вермикомпоста, в т.ч. го нетрадиционного сырья, на агроэко-логические свойства почвы и биологическую ценность урожая культур. Установлена также способность биогумуса связывать радионуклиды и тяжелые металлы в недоступное для растений состояние (В.А. Черников, A.M. Алексахин, A.B. Голубев, O.A. Соколов, 2000) Практически нет данных по влиянию различных видов вермикомпоста из лузги семян на поведение цезия-137 и некоторых тяжелых металлов в системе почва-растение, влиянию на данный процесс

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА "ПтКУИ 3

Основная цель представленной работы - оценить влияние вермикомпо-ста из лузги семян гречихи и подсолнечника, а также из их композиций с навозом КРС, на агроэкологические показатели почвы и способность различных видов растений накапливать радионуклид и тяжелые металлы в разнообразных почвенных и микроклиматических условиях

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи

1 Разработать способ подготовки лузги гречихи к вермикомпостированию

2 Получить биогумус из навоза КРС, лузги семян подсолнечника и гречихи и их композиций с навозом КРС Провести агроэкологическую и микробиологическую оценку различных видов субстрата и вермикомпоста.

3. Определить влияние различных видов вермикомпоста на агроэколог инеские показатели почвы.

4. Оценить влияние различных видов вермикомпоста на биомассу растений фасоли и овса, содержание в них цезия-137 и тяжелых металлов.

5. Определить значение гидротермических условий, типа почв и последействия различных видов вермикомпоста в кумуляции растениями цезия-137 и тяжелых металлов.

6. Разработать предложения по применению лузги семян в качестве субстрата для получения вермикомпоста, видам композиций, наиболее полно отвечающим требованиям получения экологически безопасной растительной продукции.

Положения, выносимые на защиту

1. Накопление тяжелых металлов и радионуклидов в корнях и вегетативных органах растений зависит от вида растений, типа почвы и гидротермических показателей вегетационного периода, в семенах - в основном от вида растений.

2. Биогумус, полученный при вермикомпостировании лузги семян гречихи и подсолнечника, в большей степени, чем биогумус из навоза КРС, способствует снижению концентрации в растениях фасоли и овса цезия-137 и некоторых тяжелых металлов.

3. Снижение накопление цезия-137 в генеративных органах проявляется п меньшей степени, чем в вегетативных вследствие дискриминации на биологических барьерах в самом растении.

4. Увеличение значения гидротермического коэффициента способствует снижению защитных свойств вермикомпоста от поступления в семена изучаемых растений тяжелых металлов и в меньшей степени влияет на кумуляцию радиоактивного цезия-137.

Научно-практическая значимость работы. Установлено сравнительное влияние различных видов вермикомноета на накопление валовых и подвижных форм цезия-137 и тяжелых металлов (свинца, никеля, кадмия, меди) в 0-20см слое двух типов почв (черноземе оподзоленном и гемно-серой лесной). Показано влияние вермикомпоста из лузги семян и их композиций с навозом КРС на кумуляцию цезия-137 и ТМ в различных органах растений овса и фасоли, влияние на этот процесс типа почв и гидротермических условий выращивания. Впервые разработан способ получения биогумуса из трудноразлагаемых отходов - лузги семян гречихи (подана заявка на изобретение «Способ получения вермикомпоста» МКИ С 05 11/02 № 2002101182 от 08.01.02). Выявлены наиболее эффективные виды и композиции биогумуса.

Апробаиия работы. Материалы диссертации были представлены на Российской научной конференции «Экология, техника, жизнь: принципы взаимовлияния и развития» (г Орел, 1999 г.), Российской научно-практической конференции «Достижение аграрной науки в решении экологических проблем Центральной России» (г. Орел, 1999 г.), 2-й Международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» (г. Орел, 1999 г.); на двух международных научно-практических конференциях «Новое в экологии и БЖД» (БГТУ, г. Санкт - Петербург, 1999, 2001 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 - в центральной печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, практических рекомендаций, списка литературы. Работа содержит 132 страницы, включая 50 таблиц, 2 схемы, 1 приложение. Список цитируемой литературы включает 180 источников, в том числе 30 иностранных.

Глава 1. Основные закономерности поведения радионуклидов и тяжелых металлов в системе почва-растение (обзор литературы)

Обобщаются и анализируются данные отечественных и зарубежных авторов по источникам и путям поступления радионуклидов и тяжелых металлов в почву и растения, особенностям почвенной химии цезия-137, закономерностям миграции его по почвенному профилю и распределению в системе почва-растение. Отмечается, что существуют противоречивые мнения о роли типа почв в поглощении радионуклидов, о размерах перехода их в растения. Приводятся сведения об основных факторах, влияющих на интенсивность накопления растениями тяжелых металлов: свинца, кадмия, никеля, меди Показано, что для предотвращения накопления растениями поллютантов перспективен экологи-

*

1/

чески безопасный способ - внесение в почву вермикомпоста из навоза сельскохозяйственных животных Приводятся сведения о биологических свойствах вермикультуры и технологиях вермикультивирования. Отмечено, что в связи с дефицитом классических органических удобрений, перспективным направлением является изучение агроэкологических свойств вермикомпоста, полученного из нетрадиционного сырья - древесины, торфо-лигнинных смесей, лузги семян

Глава 2. Условия, объекты и методы исследования

Работа выполнялась в 1999-2001 гг. в Орловском районе на опытных участках (делянках) на двух типах почв: черноземе оподзоленном и темно-серой Гидротермические условия выращивания растений в 1999 и 2000 гг. резко отличались между собой - ГТК в вегетационный период 2000 года в 1,7 раза превышал ГТК в 1999 году. Содержание этапов проведения научных исследований представлены на схеме:

Агроэкологиче-ский и микробиологический анализы различных видов вермикомпоста и субстрата Агроэкологический анализ почвенных образцов до закладки опытов и после уборки культур Определение биомассы различных органов исследуемых растений и содержания в них "'Сб и ТМ .

Математическая обработка данных, анализ полученных результатов, разработка практических рекомендаций

Объектами исследований были почвы - чернозем оподзоленный и темно-серая; культурные пищевые растения: фасоль сорта «Харьковская», овес сорта «Победа»; навоз КРС, вермикомпост, полученный путем переработки гибридом красного калифорнийского червя навоза КРС, лузги семян подсолнечника и гречихи и их композиций с навозом КРС.

Полевые исследования проводились согласно методике постановки полевого опыта Б. А. Доспехова (1979) и практическим работам по почвоведению И.С Кауричева (1986). Число вариантов в полевом опыте девять в двух повтор-ностях. Исследовали следующие варианты:

1. почва+биогумус из навоза;

2. почва +биогумус из лузги семян гречихи;

3. почва +биогумус из лузги семян подсолнечника;

4. почва +биогумус из композиции 2/Знавоза +1/Злузги гречихи,

5. почва +биогумус из композиции 1/Знавоза +2/3лузги гречихи;

6. почва +биогумус из композиции 2/Знавоза + 1/3лузги подсолнечника;

7. почва +биогумус из композиции 1/Знавоза + 2/Злузги подсолнечника;

8. почва+навоз;

9. контроль (без внесения удобрений).

Опыт поставлен методом организованных повторений, размещение вариантов по опытным делянкам - рендомизированное. Размер делянок 2x3 м, доза внесения удобрений - 3 т/га. Овес высевали 20-22 апреля, фасоль - 8-10 мая Отбор растительных образцов проводился в период хозяйственной спелости семян. Пробы почвы (слой 0-20см) отбирались после уборки культур 20-22 сентября.

Почвенные образцы и биогумус были проанализированы в 2-3-х повтор-ностях по следующим показателям: содержание гумуса по методу Тюрина; сумма поглощенных оснований, гидролитическая кислотность по методу Кап-пена; подвижный калий по методу Кирсанова; рН солевой вытяжки по методу ЦИНАО; емкость поглощения, степень насыщенности основаниями, влажность (весовая) - по общепринятым в агрохимической практике методикам; удельная активность цезия-137 в почвенных вытяжках (0.1Н НС1), почвенных вытяжках и растительных образцах методом гамма-спектрометрии; микробиологический анализ образцов биогумуса и соответствующих субстратов согласно МУ № 1446-76 МЗ СССР; содержание тяжелых металлов в пробах зерна фасоли и овса, валовое содержание их в почве и кислоторастворимые формы (5М НЫОз) определяли методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии согласно РД 52.18.191-89.

Глава 3. Принципы получения и агроэколог кческая характеристика вермикомпоста

Экологические аспекты получения вермикомпоста определяются биоконверсией отходов лузги семян гречихи и подсолнечника, которые в природных условиях медленно разлагаются и обусловливают накопительное загрязнение биосферы.

Приведены этапы получения биогумуса из лузги семян гречихи, подсолнечника, навоза крупного рогатого скота (КРС), и их композиций: оптимизация состава субстрата, технологические процессы его подготовки, выбор условий разведения вермикультуры, переработка органических отходов вермикультурой в специальных ложах, выборка биогумуса и биомассы червя, перевод технического биогумуса в продукт, соответствующий ТУ.

Из лузги гречихи не удается получить био1умус по общеирипяюй шхно-логии, так как продукты ферментации (различные органические кислоты) делают ее не пригодной для червей, а наличие высокого содержания лигнина затрудняет микробиологическое разложение. Поэтому был разработан способ подготовки лузги гречихи для вермикомпостировапия

Виды биогумуса, полученные из лузги семян гречихи, подсолнечника и навоза, характеризуются следующими свойствами (табл. 1)

Таблица 1

Агрохимические свойства биогумуса и субстрата

Название образцов рН ЫН/ N02" ЫОз' С!"

мг/кг

Биогумус из навоза КРС 7,2 4,1 0,2 200,1 50,2

Навоз 6,1 3,9 0,3 104,1 21,7

Биогумус из лузги под- 6,2 3,7 0,1 176,3 31,7

солнечника 6,7 6,2 0,2 81,6 19,8

Лузга подсолнечника

Биогумус из лузги гре- 6,8 4,1 од 47,2 37,5

чихи 7,4 10,2 0,01 12,8 12,5

Лузга гречихи

Максимальные значения рН отличают биогумус из навоза КРС и из лузги гречихи, что соответствует более высокому содержанию ионов аммония ЬШ/ При этом, биогумус из лузги семян, по сравнению с субстратом, из которого он получен, отличается более низким содержанием аммония и более высоким -

нитратов и хлоридов. Этим, очевидно, и объясняются более низкие показатели рН данных видов биогумуса по сравнению с исходным субстратом Полученные виды вермикомпоста имеют почти нейтральную (6,19-7,15) реакцию среды и более высокие значения подвижных солей азотной кислоты по сравнению с субстратом. Повышенное накопление биологического азота в данных видах биогумуса имеет большое экологическое значение, так как отпадает необходимость применения минерального азота. По сравнению с навозом КРС и верми-компостом, полученным на его основе, биогумус из лузги семян характеризуется более низким содержанием хлоридов.

Большое экологическое значение имеет наличие в биогумусе цезия-137 и ТМ. Из данных, приведенных в таблице 2 видно, что удельная активность цезия-137 по сравнению с субстратом уменьшилась во всех видах биогумуса: из лузги гречихи - в 2,5 раза, подсолнечника - 4,3 раза

Таблица 2

Значение удельной активности цезия-137 в различных видах биогумуса и субстрата (Бк/кг)

Вид биогумуса Цезий-137 Вид субстрата Цезий-137

из навоза КРС 16,2 навоз КРС 25,8

из лузги гречихи 21,7 лузга гречихи 54,6

из лузги подсолнечника 14,6 лузга подсолнечника 62,5

Содержание в биогумусе таких тяжелых металлов как РЬ, N1, Си, по сравнению с субстратом, также в основном уменьшается (табл. 3).

Таблица 3.

Содержание тяжелых металлов в биогумусе и субсграге (мг/кг)

Название образцов РЬ № Си

Биогумус из навоза КРС 5,7 2,4 8,7

Навоз КРС 3,1 6,9 5,9

Биогумус из лузги подсолнечника 10,1 3,1 7,6

Лузга подсолнечника 10,9 17,8 8,6

Биогумус из лузги гречихи 14,8 2,5 9,5

Лузга гречихи 33,8 7,2 7,7

В биогумусе из растительных отходов резко снизилось количество никеля: из лузги гречихи в 2,9 раза; из лузги подсолнечника - в 5,8 раза, свинца со-

ответственно в 2,3 раза и 1,1 раз, меди - в 1,2 раза и 1,13 раз. Наиболее сильно снизилось содержание тяжелых металлов и радиоактивного цезия в вермиком-посте из лузги подсолнечника. В биогумусе из навоза достоверно уменьшилось только содержание никеля.

Глава 4. Влияние различных видов вермикомпоста на агроэкологи-ческие характеристики почвы

Различные виды биогумуса оказывают многостороннее положительное воздействие на почву, ее агрохимические, экологические и другие показатели. По нашим данным, после внесения различных видов биогумуса значение рН увеличилось только на темно-серой почве - на 0,3-0,5 единиц Количество обменных форм фосфора и калия на выщелоченном черноземе возросло, соответ-С1 венно, на 28,6% и 11,4%, на темно-серой - на 18,5 и 33,9%

Влияние различных видов вермикомпоста на содержание цезия-137 и тяжелых металлов. Значение удельной активности цезия-137 в черноземе оподзолеином колебалось от 169 до 190 Бк/кг, а уровень его подвижных форм -от 23 до 42 Бк/л. Содержание тяжелых металлов за годы исследований в почве изменялось в следующих пределах (в мг/кг): РЬ - 8,3 - 13,4; N1 - 11,6 -16,1; Си

- 14,4 -17,9; С<1 < 0,1; кислоторастворимых форм, соответственно, - 6,9 - 9,8; 4,2

- 5,2, 4,4 - 5,7; <0,02. Внесение изучаемых видов биогумуса и навоза КРС существенно не отразилось на величине показателей валового содержания РН и ТМ (Р>0,05). В то же время достоверно (Р<0,05) во всех вариантах снизилось содержание подвижного цезия-137 В наибольшей степени количество подвижных форм снижается в варианте с внесением биогумуса из композиции 1/3 на-воза+2/3 лузги подсолнечника, в наименьшей - после внесения навоза

В почве из-под фасоли, по сравнению с контролем, достоверно снизилось содержание кислоторастворимого свинца во всех вариантах; в почве из-под овса - лишь после внесения биогумуса из навоза КРС и лузги гречихи В остальных вариантах отмечалась тенденция к снижению этой величины Уровень подвижных форм никеля и меди в почве не зависел от вида внесенных удобрений (Р>0,05).

Значения удельной активности цезия-137 в темно-серой почве изменялись от 177 до 191 Бк/кг, а уровень его подвижных форм от 22 до 40 Бк/л. Содержание ТМ колебалось в следующих пределах (в мг/кг): РЬ - 10,9-14,6; № -13,4-15,8, Си - 14,4-17,9; Сс1 - <0,1-0,1; кислоторастворимых форм, соответственно, - 6,7-9,6; 4,3-5,0,4,3-6,8; 0,02.

Внесение различных видов вермикомпоста, так же как и на черноземе, не привело к изменению количества валовых форм цезия-137 и ТМ С высокой

степенью достоверности (Р<0,05) произошло снижение уровня подвижного це-зия-137 во всех вариантах. На содержание подвижных форм ТМ удобрения оказали неоднозначное действие - в опытах с фасолью их количество не изменилось, а в опытах с овсом отмечаются более низкие показатели растворимого свинца в вариантах с внесением биогумуса из навоза КРС и лузги семян (табл 4).

Таблица 4

Содержание кислоторастворимых форм ТМ в почве (мг/кг)

Варианты Чернозем оподзоленный Темно-серая почва

РЬ № Си РЬ N1 Си

Почва из-под фасоли

Почва+компост навоза КРС из 6,9* 5,0 5,7 9,6 4,7 6,8

Почва+компост лузги гречихи из 6,9* 4,6 5,2 9,6 4,7 6,2

Почва+компост из лузги подсолнечника 7,0* 5,2 5,5 8,9 4,6 6,7

Почва+навоз КРС 6,3* 4,5 4,4 8,5 4,5 6,3

Контроль (без удобрений) 9,7 4,5 4,4 9,8 4,8 4,4

Почва из-под овса

Почва+компост навоза КРС из 7,9* 4,2 4,6 7,4* 4,8 6,4

Почва+компост лузги гречихи из 8,4* 4,6 4,5 7,4* 5,0 4,8

Почва+компост из лузги подсолнечника 8,8 4,2 4,4 6,7* 4,6 4,3

Почва+навоз КРС 9,0 4,6 4,5 9,0 4,3 4,3

Контроль (без удобрений) 10,8 4,5 4,4 9,5 4,8 4,4

Примечание: * - Р < 0,05

Одной из причин низкого содержания подвижного свинца в черноземной почве из-под растений фасоли, по сравнению с почвой из-под овса, является, вероятно, отличие количественного и качественного состава микроорганизмов, обитающих в прикорневой системе фасоли на данной почве и их способностью переводить подвижный свинец в недоступную для растений форму. Внесение органических удобрений стимулировало деятельность микроорганизмов.

Глава 5. Влияние различных видов вермикомпоста на биомассу и накопление цезия-137 и тяжелых металлов в растениях фасоли и овса

Тестовые культуры - фасоль и овес различаются по строению корневой системы, структуре и биометрическим показателям надземных органов

Влияние различных видов биогумуса на биомассу растений Внесение всех видов органических удобрений способствовало увеличению биомассы растений. Наибольший прирост биомассы фасоли и овса отмечен в вариантах с биогумусом из лузги гречихи в период с более высокими показа1елями ГТК- общая масса растений фасоли, выращенных в 2000 году увеличилась по сравнению с 1999 годом в 1,4, а семян - в 3,7 раза; для растения овса эти данные составляют, соответственно, - 1,9 и 1,8 раз.

Накопление и распределение удельной активности цезия - 137 в растении фасоли На оподзоленном черноземе, в условиях низких значений ГТК (1999г ), максимальное содержание радиоактивного цезия отмечается в корнях фасоли -в 1,8-3,9 раз выше, чем в вегетативных органах и в 3,04-13,2 раза выше, чем в плодах. Колебания ур >вня радионуклида обусловлены видом вносимых удобрений (табл.5).

Таблица 5

Распределение удельной активности цезия-137 в растении фасоли (чернозем оподзоленньгй, 1999 г.), Бк/кг

Органы растения Цезий - 137 по вариантам опыта

1 2 3 4 5 6 7 8 9 НСР„,

Плоды 4,5 5,5 4,6 5,1 6,8 6,5 3,1 1 5,2 10,4 2,3

Листья, стебли 8,5 12,8 12,2 12,9 10,1 18,2 16,2 31,5 28,8 3,2

Корни 32,8 16,6 20,1 22,8 | 45,3 38,4 40,6 55,9 63,9 _3,1 _

Максимальные колебания значений активности радионуклида характерны для вегетативных органов и корней. Между содержанием цезия-137 в растении и активностью его подвижных форм в почве существует положительная корреляционная связь (г=0,50). Для различных органов растения величина линейной связи различна: для плодов - г=0,51; для вегетативных органов - г=0,59; для корней - г=0,35.

Коэффициент накопления цезия-137 (Кн), как и других ксенобиотиков, выявляет накопление его растением относительно почвы .По нашим данным, его значение в вариантах с внесением удобрений колебалось: для плодов фасо-

ли - от 0,02 до 0,04; без удобрений - 0,06; для листьев и стеблей - 0,04-0,16; без удобрений — 0,15; для корней - 0,10-0,28; без удобрений - 0,34

- При увеличении показателя ГТК (2000 год) максимальный уровень содержания радионуклида определяется в растениях, выращенных без внесения удобрений. Содержание цезия-137 в плодах не изменилось и составляет в опытных вариантах 4-5 Бк/кг, что в 2,4-1,7 раз ниже, чем в контроле. Минимальный уровень содержания радионуклида в семенах определяется в вариантах с внесением биогумуса из лузги гречихи и из композиции 1/3 навоза КРС+2/3 лузги гречихи. Наиболее существенные изменения в уровне цезия-137 произошли в вегетативных органах - по сравнению с 1999 годом он увеличился в вариантах с биогумусом в 3-6, навозом в 1,5, в контроле - в 2 раза. Значительный уровень удельной активности цезия отмечается в створках семян, который соизмерим с его активностью в корнях.

На второй год после внесения удобрений (их последействие) протекторные свойства сохраняются для всех органов растений, но в большей степени для плодов, снижение количества цезия - 137 в которых, по сравнению с контролем, идентично уровню при первичном внесении удобрений в данных климатических условиях.

На темно-серой почве особенности накопления цезия-137 растением фасоли сохранялись' максимальный уровень активности определялся в корнях, минимальный - в плодах. Минимальный уровень цезия в плодах характерен для растений, выращенных на делянках с внесением вермикомпоста из подсолнечника и из композиций лузги гречихи с навозом КРС.

Между содержанием в темно-серой почве подвижного цезия-137 и накоплением его в растении фасоли наблюдалась положительная и более тесная связь, чем на черноземе: в целом для растения 1=0,75; для плодов - г=0,67; для вегетативных органов - г=0,73 Наименьшее значение коэффициента корреляции, так же как и на черноземе, было характерно для корней - г=0,32,.

Таким образом, в связи с тем, что уровень подвижного цезия в темно-серой почве выше, чем на черноземной, соответственно, больше его доля в общем поступлении в растение, особенно в вегетативные органы. Источником кумуляции радиоактивного цезия в корневой системе растения являлись, очевидно, не только подвижные, но и более прочно связанные формы.

Значения Кн для плодов фасоли и на темно-серой почве составляли практически те же величины - 0,02 - 0,06, что объясняется видовыми особенностями данного растения.

Во влажных условиях 2000 года изменения в распределении цезия-137 заключались в увеличении его уровня в вегетативных органах и корнях, соответственно, на 32 и 50%. Защитное действие удобрений сохранялось так же, как и

на черноземе, в основном для семян Наибольшее протекторное действие для семян проявлялось в вариантах с внесением биогумуса из лузги гречихи и подсолнечника.

Таким образом, при повышенной влажности возрастает роль вегетативных органов в защите плодов от дополнительного поступления радионуклидов, так как в плодах содержание цезия - 137 приближалось к константе, как в засушливых, так и в более влажных условиях.

На второй год после внесения удобрений характер распределения цезия-137 в растении сохраняется: в большей степени снижение уровня удельной активности радионуклида отмечается для плодов.

Значения Кн цезия при последействии удобрений (табл.6) были практически идентичны данным при первичном их действии в 2000 году, что еще раз подтверждает значительное влияние микроклиматических условий на этот процесс.

Таблица 6

Значения коэффициента накопления цезия -137 в органах растения фасоли (последействие, 2000г)

Органы растения Варианты опыта

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Плоды 0,03 0,025 0,03 0,05 0,03 0,035 0,03 0,03 0,04

Створки 0,28 0,27 0,26 0,31 0,29 0,25 0,23 0,31 0,36

Листья, стебли 0,30 0,28 0,26 0,32 0,27 0,30 0,25 0,33 0,38

Корни 0,27 0,26 0,27 0,33 0,25 0,22 0,23 0,25|0,49

Накопление и распределение удельной активности цезия-137в растении овса. Процессы накопления цезия-137 в растениях овса, по сравнению с фасолью имеют как общие черты, так и особенности. На оподзоленном черноземе в засушливых условиях выращивания уровень радиоактивного цезия в надземной части растения овса, как и у фасоли, ниже, чем в корнях и составил 4-30 Бк/кг, в корнях - 14-43 Бк/кг. Сравнение этих культур показывает так же, что в корнях овса (особенно в контрольном варианте) содержание радионуклида ниже, а в плодах выше, чем в соответствующих органах фасоли, что объясняется, очевидно, видовыми особенностями данных культур.

Распределение значений удельной активности цезия-137 в растении овса, в зависимости от внесения в почву различных видов органических удобрений, представлены в таблице 7.

Таблица 7

Распределение активности цезия-137 в растении овса (чернозем,1999 г.), Бк/кг

Органы рас- Цезий-137 по вариантам опыта

тения 1 2 3 4 5 6 7 8 9 НСРо.

Надземная часть 9,2 9,9 8,1 7,4 4,3 9,2 10,6 9,8 30,4 2,8

Корни 14,8 30,2 28,3 22,5 29,1 36,5 24,5 37,9 43,2 3,6

В опытных вариантах надземная часть овса содержит, по сравнению с контролем, в 1,7-7,1 раз меньше цезия-137 Минимальное его количество определяется при внесении в почву биогумуса из композиции 1/3 навоза КPC + 2/3 лузги семян гречихи (вариант 5). Этому соответствует и минимальное количество в почве подвижных форм цезия (23,6 Бк/л). Различия между остальными опытными вариантами недостоверны.

В корнях содержание радиоактивного цезия под влиянием внесения удобрений снизилось в 1,1-2,9 раз. Наиболее значительное снижение количества радионуклида произошло под влиянием биогумуса из навоза КРС, наименее - под влиянием навоза. Так же, как и для растения фасоли, более тесная положительная связь между уровнем накопления растением цезия-137 и количеством его подвижных форм существует только для надземной части (г=0,45), в то время как для корневой системы г=0,25.

Коэффициент накопления в результате внесения в почву органических удобрений уменьшается: в надземной части в 1,4-4,7 раза и колеблется от 0,03 до 0,1; в корнях - в 1,2-2,5 раз и колеблется от 0,08 до 0,21.

Защитная роль органических удобрений при увеличении ГТК (2000г.) сохраняется, но в меньшей степени, чем в более засушливых условиях 1999 года В плодах, по сравнению с контролем содержание цезия - 137 уменьшилось в 1,25 - 2,0 раза (без учета варианта с внесением навоза, данные которого практически идентичны контролю); минимальный уровень цезия-137 наблюдается в варианте 7-1/3 навоза КРС+2/3 лузги гречихи. В стеблях и листьях наиболее достоверные различия наблюдаются лишь в варианте 1 - с внесением биогумуса из навоза и в варианте 2-е внесением биогумуса из лузги гречихи. В отличие от плодов и вегетативных органов в корнях содержание цезия-137 значительно снижается в вариантах с внесением биогумуса из навоза КРС и композиции 1/3 лузги гречихи + 2/3 навоза КРС.

Коэффициент накопления радиоцезия в данных условиях в меньшей степени зависит от вида вносимых в почву органических удобрений и колеблется (без учета варианта с внесением навоза) для плодов от 0,10 до 0,19; для листьев и стеблей - от 0,24 до 0,28; для корней от 0,15 до 0,26.

Последействие изучаемых видов биогумуса и навоза КРС на накопление растением овса цезия-137, так же как и фасоли, изучалось в более влажных условиях 2000 года.

Удобрения на черноземной почве сохраняют протекторные свойства в основном для плодов. Максимальное снижение радиоцезия в них отмечалось в варианте 5-1/3 навоза КРС+ 2/3 лузги гречихи. В листьях и стеблях значимое снижение содержания радионуклида, по сравнению с контролем, оказало последействие биогумуса из гречихи, в корнях - навоза и биогумуса из навоза.

На темно-серой почве минимальное накопление радионуклида в надземной части растения происходит в вариантах после внесения биогумуса из лузги семян и их композиций с навозом КРС. Менее всего накапливается радиоактивного цезия при внесении в почву биогумуса го композиции 1/3 навоза КРС + 2/3 лузги семян подсолнечника (вариант 7) В почве данного варианта отмечается самая низкая концентрация подвижных форм цезия-137. Коэффициент корреляции между содержанием подвижного цезия в почве и надземной части растения равен 0,75. Максимальное содержание цезия-137 определяется после внесения навоза и биогумуса из навоза

В корнях наиболее низкие значения радионуклида отмечаются при внесении в почву компоста из навоза КРС.

Выращивание овса на темно-серой почве в более влажных условиях (2000 г.) привело к увеличению поглощения растением цезия-137. Например, по сравнению с 1999 годом в 2000 году в корневой системе овса увеличение удельной активности изотопа цезия по вариантам составило в %: 1 - 66,2; 2 -9,5; 3 - 39, 6; 4 - 24,9; 5 - 35,4; 6 - 10,1; 7 - 55,8; 8 - 90,7; 9 - 35,5. Максимальное снижение количества радионуклида в корнях произошло под влиянием внесения в почву биогумуса из навоза КРС, в вегетативных органах и семенах -биогумуса из композиции 1/3 навоза КРС + 2/3 лузги семян.

Последействие защитных свойств удобрений в наибольшей степени проявляется для плодов. Максимальная разница между уровнем активности цезия-137 в плодах овса контрольных и опытных вариантов составляет 3 раза, в то время, как в листьях и корнях, соответственно, 1,2-1,3 раза. Оптимальные варианты для вегетативных органов и плодов - внесение биогумуса из лузги семян подсолнечника и его композиций с навозом. Значения коэффициента накопления цезия-137 в этих условиях колеблются от 0,07 до 0,17 для семян (в кон-

троде 0,26), от 0,22 до 0,31 - для стеблей и листьев (в контроле 0,36) и от 0,20 до 0,33 - для корней (в контроле - 0,36).

Величина Кн радиоактивного цезия-137 для различных органов растения овса в основном соответствует величине Кн в растениях при первичном внесении удобрений во влажных условиях.

Влияние различных видов биогумуса на содержание тяжелых металлов в семенах фасоли и овса. В засушливых условиях 1999 года на оподзоленном черноземе после внесения в почву различных видов органических удобрений концентрация свинца и меди в семенах фасоли не меняется: наблюдается лишь тенденция к снижению их содержания. Достоверно снижается количество никеля (Р<0,05) в варианте с внесением компоста из лузги подсолнечника.

В семенах овса концентрация свинца уменьшилась под влиянием всех видов изучаемых удобрений - по сравнению с контролем в 1,7-2,5 раза, никеля и меди - под влиянием биогумуса из лузги гречихи и подсолнечника.

При увеличении значений ГТК в вегетационный период 2000 года существенного изменения в накоплении ТМ в семенах изучаемых растений не произошло.

В засушливых условиях 1999 года на темно-серой почве защитное действие от поступления свинца в семена фасоли проявляется в варианте с внесением вермикомпоста из лузги гречихи, никеля - с внесением вермикомпоста из лузги подсолнечника и навоза КРС. Количество меди в семенах растений из опытных вариантов, по сравнению с контролем, не изменилось.

В семенах овса, концентрация свинца в вариантах со всеми видами вермикомпоста снизилась в большей степени, чем на черноземной почве - по сравнению с контролем в 2,2-3,8 раза Влияние навоза статистически недостоверно (Р>0,05). В условиях повышенного увлажнения протекторное действие внесенных удобрений сохраняется (табл.8).

Таблица 8

Содержание свинца и никеля в семенах растений (мг/кг)

Варианты Чернозем оподзолен-ный Почва темно-серая

РЬ № РЬ №

Семена фасоли

Почва+компост из навоза КРС 0,29/0,37 1,75/0,97 0,35/0,28 1,55/1,12

Почва+компост из лузги гречихи 0,30/0,36 2,20/0,79 0,27*/0,29 1,69/1,02

Почва+компост из лузги подсолнечника 0,28/0,29 1,40/0,76 0,36/0,40 1,24*/1,27

Почва+навоз КРС 0,28/0,28 1,74/0,63 0,30/0,30 0,92*/! ,82 1,59/1,89

Контроль (без удобрений) 0,34/0,26 2,74/0,79 0,39/0,32

Семена овса

Почва+компост из навоза КРС 0,38*/0,39 1 3,66*/2,83 { 0,49*/0,47* 4,76/2,34

Почва+компост из лузги гречихи 0,25*/0,52 3,40*/2,63 -/0,48* 2,93/1,95*

Почва+компост из лузги подсолнечника 0,38*/0,44 4,25*/3,02 0,28*/0,39* 4,79/1,44*

Почва+навоз КРС 0,30*/0,43 4,69/2,73 0,87*/0,48* 4,41/2,32

Контроль (без удобрений) 0,63/0,38 4,93/2,27 1,07/0,87 3,33/2,25

Примечание: * - Р<0,05; в числители данные 1999 г., в знаменателе - 2000 г.

Расчет коэффициентов накопления ТМ в семенах изучаемых рас1ений показал, что Кн свинца в семенах овса, выращенного на черноземной почве без внесения органических удобрений при различных гидротермических условиях в 2 раза выше, чем у фасоли - 0,06 и 0,03 соответственно, и в 2-3 раза выше на темно-серой почве, соответственно, в засушливый период - 0,08 и 0,04, в условиях повышенного увлажнения - 0,12 и 0,04.

Кн никеля в семенах растений выше, чем свинца и составляет для фасоли - 0,05-0,17; для овса - 0,10-0,32. Минимальные значения характерны для периода с низкими значениями ГТК.

В семенах фасоли концентрация свинца меньше и является более постоянной величиной, чем в семенах овса. Она практически не зависит от вида вносимых в почву органических удобрений, типа исследуемых нами почв и значения гидротермического коэффициента Очевидно, это свидетельствует о более развитом механизме защиты генеративных органов данного растения.

В семенах овса степень накопления свинца зависит, в основном, от типа почвы. Органические удобрения на черноземной почве способствуют снижению в семенах концентрации свинца и никеля только в условиях с более низкими значениями ГТК, на темно-серой почве защитные свойства вермикомпо-ста го лузги семян сохраняются и в условиях повышенных значений ГТК.

Таким образом, протекторные свойства изучаемых видов вермикомпоста по отношению к радиоактивному цезию более выражены, чем по отношению к тяжелым металлам.

Заключенве и выводы

В условиях глобального загрязнения окружающей среды большое значение имеет изучение закономерностей накопления и перераспределения ксенобиотиков в системе почва-растение, определение факторов, влияющих на экологическую безопасность растительного сырья. Концентрация чужеродных минеральных элементов в растении зависит от почвенно-климатических условий, морфострукгурных и других особенностей растений. Дополнительное внесение в почву экологически безопасных веществ, увеличивающих ее поглотительные свойства и микробиологическую деятельность, приводит к снижению подвижности поллютантов и скорости миграции их в растение. Из существующих способов к экологически рациональным и эффективным, по нашему мнению, относится внесение в почву вермикомпоста из «бросового» материала, например, лузги семян гречихи и подсолнечника.

Полученные нами виды вермикомпоста обладают ценнейшими агроэко-логическими показателями. По сравнению с исходными субстратами в их составе резко снижена концентрация радиоактивного цезия-137, свинца, никеля.

Все виды биогумуса оказали положительное влияние на агроэкологиче-ские показатели темно-серой и черноземной почв- увеличились рН солевой вытяжки и количество усвояемых форм минеральных элементов питания. Валовое содержание тяжелых металлов и цезия-137 не изменилось после применения биогумуса, а количество подвижных их форм зависит от типа почвы, видовых особенностей растения и вида вносимого удобрения. На черноземной почве влияние биогумуса на снижение подвижных форм цезия -137 выражено сильнее, чем на темно - серой.

Вносимые виды удобрений оказали положительное влияние на произрастание растений фасоли и овса. На темно-серой почве наибольший прирост биомассы растений наблюдается после применения биогумуса из лузги гречихи и ее композиции с навозом КРС. На оподзоленном черноземе - в вариантах с применением лузги подсолнечника и гречихи. По абсолютному значению она выше, чем на темно-серой почве.

Большое значение на величину биомассы растений оказали гидротермические условия года - при увеличении ГТК в 1,7 раза общая масса, например, растений фасоли увеличилась в 1, 4 раза, а семян - в 3,7 раза. Наиболее низкие показатели получены в вариантах с применением навоза.

Наличие тяжелых металлов и радионуклидов в растениях, произрастающих без применения удобрений, зависит в основном от вида растений. В семенах овса концентрация свинца в 1,85 раза выше, чем в семенах фасоли, что в 1,3 раза превышает допустимые санитарные уровни. Влияние органических удобрений на накопление тяжелых металлов в семенах растений не однозначно Протекторное действие в отношении свинца, никеля и меди отмечается только после внесения вермикомпоста из лузги семян при выращивании растений в засушливых условиях. При увеличении влажности протекторное действие удобрений снижается.

Максимальная концентрация цезия-137 отмечается в корнях растений, минимальная - в семенах. Вследствие дискриминации на биологических барьерах в самом растении снижение накопления цезия - 137 в генеративных органах проявляется в меньшей степени, чем в вегетативных Все виды биогумуса при различных погодных условиях способствуют снижению накопления цезия-137 в семенах В надземной части растений (листья, стебли, семена) более низкие концентрации радионуклида определяются после внесения в почву биогумуса из лузги семян и их сочетаний с навозом КРС; в корневой системе - навоза и биогумуса из него.

Основным отличием биогумуса из лузги семян, по сравнению с биогумусом из навоза КРС, является более эффективное протекторное действие в условиях как низких, так и высоких значений ГТК и сохранение последействия при выращивании растений в условиях повышенной влажности.

Суммируя полученные результаты по влиянию различных видов вермикомпоста на поведение цезия-137 и тяжелых металлов в системе почва - растение, можно сделать следующие выводы:

1 Применение вермикомпоста из лузги гречихи и подсолнечника, а также из их композиций с навозом КРС способствует увеличению значения рН в темно-серой почве и оподзоленном черноземе, а в темно-серой почве и увеличению содержания минеральных элементов питания растений.

2. Наибольший рост биомассы растений фасоли происходит после применения биогумуса из лузги семян гречихи и их композиций с навозом КРС, овса - после применения вермикомпоста из лузги гречихи и подсолнечника. Увеличение значений гидротермического коэффициента вегетационного периода способствует увеличению биомассы всех растений, особенно фасоли. Последействие удобрений более значимо для фасоли, чем овса.

3. Все виды вермикомпоста из лузги семян в большей мере, чем из навоза КРС способствовали снижению в почве подвижных форм цезия-13 7. На черноземе оподаоленном снижение значительнее, чем на темно-серой почве. Определенное влияние на уровень подвижных форм цезия-137 в почве оказывал вид растения: в опытах с фасолью наибольшее снижение подвижности произошло под влиянием вермикомпоста из композиции 1/Энавоза+2/3 лузги гречихи, в опытах с овсом - 1/3 навоза+2/3 лузги подсолнечника.

4. Накопление радионуклида в органах растений подчинялось следующей закономерности: корни > стебли > листья > плоды и зависело от следующих факторов: вида растений и органических удобрений, типа почвы, гидротермических условий произрастания растений. В корнях фасоли при выращивании растений на черноземе оподзоленном при низких значениях ГТК содержание цезия-137 в 1,3-4,1 превышало его уровень в вегетативных органах и в 3,0-13,1 раз - в плодах; в корнях овса превышение уровня цезия по сравнению с надземной частью составило 1,6-6,8 раз. В более влажных условиях культивирования возрастает концентрация радиоцезия только в вегетативных органах и корнях. Минимальное поступление цезия-137 в растения происходило в варианте с внесением вермикомпоста из композиции 1/3 навоза +2/3 лузги гречихи

5. На темно-серой почве минимальный уровень подвижного радиоактивного цезия характерен для вариантов с внесением вермикомпоста из композиций лузга гречихи+навоз КРС и из лузги подсолнечника.

6. Между содержанием подвижного цезия-137 в почве и растении фасоли существует положительная корреляционная связь - на темно-серой почве более тесная, чем на черноземе: в целом для растения г = 0,75; для плодов г= 0,67, вегетативных органов г= 0,73; корней г= 0, 32. Для растения овса эта связь менее тесная и составляет для надземной части г= 0,45, для корней г= 0,25.

7. Содержание тяжелых металлов в семенах фасоли и овса также зависит от комплекса факторов. На темно-серой почве в условиях низких значений ГТК внесение в почву биогумуса из лузги гречихи способствовало снижению в семенах фасоли свинца, а снижению содержания никеля и меди - внесение биогумуса из лузги подсолнечника. В отличие от цезия-137, уменьшение концентрации свинца, никеля и меди в семенах фасоли происходит и после внесения в почву навоза КРС. В семенах овса снижение концентрации тяжелых металлов

изошло под воздействием всех видов изучаемых удобрений как при низких, так и высоких значениях ГТК.

8. На оподзоленном черноземе снижение концентрации тяжелых металлов под влиянием вермикомпостов происходит только в семенах овса Концентрация свинца в них при низких значениях ГТК уменьшилась в 1,7-2,5 раза. При высоких значениях ГТК на данном типе почвы не отмечается влияние органических удобрений.

Практические рекомендации

1. Изученные виды биогумуса могут быть использованы в качестве удобрения под зерновые и бобовые культуры с целью получения экологически более безопасной продукции.

2. Разработанный способ разложения лузги гречихи рекомендуется при получении биогумуса из этой лузги в производственных масштабах.

3. На темно-серых и черноземных почвах, загрязненных радиоактивным цезием и тяжелыми металлами наиболее эффективными протекторными свойствами обладает, вермикомпост из композиций 1/3 навоза КРС+2/3 лузги гречихи и 1/3 навоза КРС+2/3 лузги подсолнечника.

Список работ, опубликованных

по теме диссертации

1. Ткаченко O.A., Громова B.C. Использование биотехнологических методов для восстановления экологической безопасности почв // Экология, техника, жизнь: принципы взаимовлияния и развития {Тезисы по материалам Российской научной конференции), Орел, 1999- С 62

2. Ткаченко O.A. Эффективность использования биогумуса для получения экологически безопасной продукции// Продовольственный рынок и проблемы здорового питания (Тезисы 2 -й международной науч. - практ. конф.), Орел, 1999-С. 198

3. Ткаченко O.A. Использование биогумуса при получении экологически безопасной продукции в районах, подверженных радиоактивному загрязнению //Новое в экологии и БЖД (Международная науч. - практ. конф., СПб, БГУ), 1999-С.121

4. Ткаченко O.A., Громова B.C. Особенности воздействия различных видов биогумуса на агроэкологические показатели почвы и распределение цезия -137 в растениях.// Хранение и переработка сельхозсырья.-2000 -№ 8-С.62 - 63

5. Ткаченко O.A., Громова B.C. Зависимость протекторных свойств биогумуса от его состава и типа почв.// Хранение и переработка сельхозсырья,-2000 -№ 9-С.66 - 68

6. Ткаченко O.A., Громова B.C., Соколова И.В. и др. Основные принципы получения экологически безопасного растительного сырья в условиях техногенного загрязнения окружающей среды.// Новое в экологии и БЖД (Международная науч. - практ. конф, СПб, БГУ), 2000- С. 183

7. Громова B.C., Ткаченко O.A. Загрязнение почвы радионуклидами и тяжелыми металлами, способы снижения поступления их в растения // Безопасность жизнедеятельности.- 2001 -№ 5 - С.27-30

8. Ткаченко O.A. Загрязнение почвы радионуклидами и способы снижения поступления их в растения // (Тезисы науч. - практ. конф), М., МГГУ, 2001 -С.115

■г

Отпечатано с готового оригинал-макета Объем 7, £S" Зак. £,<{6 Тираж fO0

AHO «Издательство МСХА» 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44

РНБ Русский фонд

2004-4 12228

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Ткаченко, Ольга Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА -РАСТЕНИЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Характеристика радионуклидов, миграция и распределение их в системе почва-растение.

1.1.1. Характеристика и особенности почвенной химии радионуклида цезия - 137.

1.1.2. Миграция радионуклидов в почвенном профиле.

1.1.3. Распределение радионуклидов в системе почва-растение.

1.2. Тяжелые металлы в системе почва-растение.

1.2.1. Влияние свинца, кадмия, никеля, меди на растения.

1.2.2. Источники поступления тяжелых металлов в агроэкосистему.

1.2.3. Трансформация соединений свинца, кадмия, никеля в почве; факторы, влияющие на подвижность и поступление их в растения.

Ь 1.3. Характеристики биологических свойств вермикультуры и современные технологии вермикультивирования.

1.3.1. Биологические особенности вермикультуры.

1.3.2. Современные технологии вермикультивирования.

1.3.3. Основные области применения биогумуса.

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Природно-климатические условия на территории

Орловской области. щ 2.2. Объекты и методы исследования.

ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ И АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕРМИКОМПОСТА.

3.1. Принципы получения биогумуса методом вермикультивирования органических отходов.

3.2. Агроэкологическая характеристика вермикомпоста.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ВЕРМИКОМПОСТА НА АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ.

4.1. Влияние различных видов биогумуса на агрохимические показатели почвы.

4.2. Влияние различных видов биогумуса на экологические показатели почвы.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ВЕРМИКОМПОСТА НА БИОМАССУ И НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ БЕЗОПАСНОСТИ РАСТЕНИЙ ОВСА И ФАСОЛИ.

5.1. Влияние различных видов биогумуса на биомассу растений.

5.2. Влияние различных видов биогумуса на распределение цезия - 137 в растениях фасоли и овса.

5.2.1. Накопление и распределение удельной активности цезияв растении фасоли.

5.2.2. Накопление и распределение удельной активности цезияв растении овса.

5.3. Влияние различных видов биогумуса на содержание тяжелых металлов в семенах фасоли и овса.

5.4. Экономическая эффективность применения биогумуса.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Влияние различных видов вермикомпоста на поведение цезия-137 и тяжелых металлов в системе почва-растение"

Актуальность темы. Одним из последствий антропогенного пресса на окружающую среду явилось повсеместное ее загрязнение. Орловская область после аварии на ЧАЭС оказалась подверженной радиационному загрязнению. По сравнению с периодом до 1986 года в наиболее загрязненных районах области уровень радиации увеличился в несколько раз. Основным дозообразую-щим радионуклидом в настоящее время является цезий-137. Опасность для окружающей среды представляют и выбросы промышленных предприятий, содержащих тяжелые металлы. В связи с этим большое значение имеет изучение закономерностей накопления и перераспределения цезия-137 и некоторых тяжелых металлов в системе почва-растение, определение факторов, влияющих на экологическую безопасность растительного сырья.

Накопление тяжелых металлов и радионуклидов в растениях зависит от сложного комплекса факторов, некоторые из них можно регулировать. Например, селекционированием можно вывести сорта некоторых растений, устойчивых к накоплению ксенобиотиков, а увеличением гумусированности почвы - к снижению уровня подвижных форм тяжелых металлов (ТМ) и радионуклидов (РН), следовательно, уменьшению поступления их в растения. Но, селекциони

• рование не всегда дает желаемый результат, а практика землепользования, особенно интенсивная химизация, привели к излишней минерализации почвы.

К примеру, за последние 2-3 десятилетия содержание гумуса в почвах Нечерноземной зоны РФ уменьшилось на 0,5-0,7 т/га, в ЦентральноЧерноземной полосе на 1,0-1,5 т/га. В настоящее время проблема восстановления гумуса в почве осложнилась дефицитом органических удобрений. В то же время многосторонняя деятельность человеческого общества сопровождается образованием огромного количества отходов, в том числе органических. Использование их в качестве источника органических веществ для почвы, как правило, затруднено по двум причинам - высокого содержания токсичных элементов (некоторые виды осадков сточных вод промышленных предприятий) и малой доступностью для разложения почвенными микроорганизмами (отходы послеуборочной переработки сельскохозяйственных культур, например, лузги семян). В то же время лузга семян после соответствующей переработки может служить источником поступления органических веществ в почву. Наиболее экологически приемлемым и современным способом переработки подобных отходов является вермикомпостирование, в результате которого получается биогумус - продукт, обладающий ценнейшими агроэкологическими свойствами.

В агропромышленном комплексе Орловской области ежегодно образуются сотни тонн лузги семян подсолнечника и гречихи. Последний вид лузги относится к трудноразлагаемым. Исследований по возможности использования этих отходов для производства биогумуса с целью получения экологически безопасной продукции недостаточно.

Имеющиеся данные в литературе освещают в основном вопросы влияния различных видов вермикомпоста, в т.ч. из нетрадиционного сырья, на агроэко-логические свойства почвы и биологическую ценность урожая культур. Установлена также способность биогумуса связывать радионуклиды и тяжелые металлы в недоступное для растений состояние (В.А. Черников, A.M. Алексахин, А.В. Голубев и др.,2000). Практически нет данных по влиянию различных видов вермикомпоста из лузги семян на поведение цезия-137 и некоторых тяжелых металлов в системе почва-растение в зависимости от типа почвы и гидротермических условий, вида выращиваемых растений.

Научная новизна результатов исследования. Впервые проведено комплексное исследование закономерностей поведения радиоактивного цезия-137 и тяжелых металлов в системе почва-растение после внесения в почву новых видов вермикомпоста - из лузги семян гречихи и подсолнечника. Впервые показано, что протекторное действие биогумуса от поступления цезия - 137 в вегетативные органы растений зависит, а в генеративные — не зависит от гидротермических условий выращивания. Протекторное действие вермикомпоста от поступления тяжелых металлов в генеративные органы растений проявляется только при низких значениях гидротермического коэффициента.

Научно-практическая значимость работы. Установлено сравнительное влияние различных видов вермикомпоста на накопление валовых и подвижных форм цезия-137 и тяжелых металлов (свинца, никеля, кадмия, меди) в 0-20см слое двух типов почв (черноземе оподзоленном и темно-серой лесной). Показано влияние вермикомпоста из лузги семян и их композиций с навозом КРС на кумуляцию цезия-137 и ТМ в различных органах растений овса и фасоли, влияние на этот процесс типа почв и гидротермических условий выращивания. Впервые разработан способ получения биогумуса из трудноразлагаемых отходов - лузги семян гречихи. Получен патент на изобретение № 2205815"Способ получения вермикомпоста" по заявке № 2002101182, дата поступления 08.01.02. Приоритет от 08.01.2002. Авторы изобретения Громова B.C., Ткаченко

0.А.). Выявлены наиболее эффективные виды и композиции биогумуса. Основная цель представленной работы,— оценить влияние вермикомпоста из лузги семян гречихи и подсолнечника, а также из их композиций с навозом КРС, на агроэкологические показатели почвы и способность различных видов растений накапливать радионуклиды и тяжелые металлы в разнообразных почвенных и микроклиматических условиях.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи;

1. Разработать способ подготовки лузги гречихи к вермикомпостированию.

2. Получить биогумус из навоза КРС, лузги семян подсолнечника и гречихи и их композиций с навозом КРС. Провести агроэкологическую и микробиологическую оценку различных видов субстрата и вермикомпоста.

3. Определить влияние различных видов вермикомпоста на агроэкологические показатели почвы.

4. Оценить влияние различных видов вермикомпоста на образование биомассы растений фасоли и овса, содержание в них цезия-137 и тяжелых металлов.

5. Определить значение гидротермических условий, тина почв и последействия различных видов вермикомпоста в кумуляции растениями цезия-137 и тяжелых металлов.

6. Разработать предложения по применению лузги семян подсолнечника и гречихи в качестве субстрата для получения вермикомпоста, видам композиций, наиболее полно отвечающим требованиям получения экологически безопасной растительной продукции.

Положения, выносимые на защиту:

1. Накопление тяжелых металлов и радионуклидов в корнях и вегетативных органах растений зависит от вида растений, типа почвы и гидротермических показателей вегетационного периода, в семенах - в основном от вида растений.

2. Биогумус, полученный при вермикомпостировании лузги семян гречихи и подсолнечника, в большей степени, чем биогумус из навоза КРС, способствует снижению концентрации в растениях фасоли и овса цезия-137 и некоторых тяжелых металлов.

3. Протекторные свойства вермикомпоста более выражены в отношении радиоактивного цезия - 137 и менее - в отношении тяжелых мегаллов.

4. Снижение накопления цезия-137 в генеративных органах проявляется в большей степени, чем в вегетативных.

5. Увеличение значения гидротермического коэффициента способствует снижению защитных свойств вермикомпоста от поступления в семена изучаемых растений тяжелых металлов и в меньшей степени влияет на кумуляцию радиоактивного цезия-137.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Российской научной конференции "Экология, техника, жизнь: принципы взаимовлияния и развития" (г. Орел, 1999 г.), на Российской научно-практической конференции "Достижение аграрной науки в решении экологических проблем Центральной России" (г. Орел, 1999 г.), на 2 - й Международной научно-практической конференции "Продовольственный рынок и проблемы здорового питания" (г. Орел, 1999 г.); МНПК "Новое в экологии и БЖД" (БГТУ, г. Санкт - Петербург,

1999, 2001 гг.). По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 - в центральной печати.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 32 таблицы, 2 схемы, 2 приложения. Состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего 182 источника, в том числе 30 иностранных.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Ткаченко, Ольга Анатольевна

выводы

1. Применение вермикомпоста из лузги гречихи и подсолнечника, а также из их композиций с навозом КРС способствует увеличению значения рН в темно-серой почве и оподзоленном черноземе, а в темно-серой лесной почве и увеличению содержания минеральных элементов питания растений.

2. Все виды вермикомпоста из лузги семян в большей мере, чем из навоза КРС способствовали снижению в почве подвижных форм цезия-137. На черноземе оподзоленном снижение значительнее, чем на темно-серой лесной почве. Определенное влияние на уровень подвижных форм цезия-137 в почве оказывал вид растения: в опытах с фасолью наибольшее снижение подвижности произошло под влиянием вермикомпоста из композиции 1/3 навоза+2/3 лузги гречихи, в опытах с овсом - 1/3 навоза+2/3 лузги подсолнечника.

3. Наибольший прирост биомассы растений фасоли происходит после применения биогумуса из лузги семян гречихи и их композиций с навозом КРС, овса -после применения вермикомпоста из лузги гречихи и подсолнечника. Увеличение значений гидротермического коэффициента вегетационного периода способствует увеличению биомассы всех растений, особенно фасоли. Последействие удобрений более значимо для фасоли, чем овса.

4. Накопление радионуклида в органах растений подчинялось следующей закономерности: корни > стебли > листья > плоды и зависело от следующих факторов: вида растений и органических удобрений, типа почвы, гидротермических условий произрастания растений. В корнях фасоли при выращивании растений на черноземе оподзоленном при низких значениях ГТК содержание цезия-137 в 1,3-4,1 превышало его уровень в вегетативных органах и в 3,0-13,1 раз - в плодах, в корнях овса превышение уровня цезия по сравнению с надземной частью составило 1,6-6,8 раз. При увеличении влажности уровень радиоцезия возрастает только в вегетативных органах и корнях.

5. Минимальное поступление цезия-137 в семена растения фасоли происходило как на черноземе, так и на темно-серой лесной почве в варианте с внесением вермикомпоста из композиции 1/3 навоза+2/3 лузги подсолнечника; в семена овса - в вариантах 1/3 навоза +2/3 лузги подсолнечника и 1/3 навоза +2/3 лузги гречихи.

6. Между содержанием подвижного цезия-137 в почве и растении фасоли существует положительная корреляционная связь - на темно-серой лесной почве более тесная, чем на черноземе: в целом для растения г = 0,75; для плодов г = 0,67, вегетативных органов г = 0,73; корней г = 0, 32. Для растения овса эта связь менее тесная и составляет для надземной части г = 0,45, для корней г = 0,25.

7. Содержание тяжелых металлов в семенах фасоли и овса также зависит от комплекса факторов. На темно-серой лесной почве в условиях низких значений ГТК снижению в семенах фасоли свинца способствовало внесение в почву биогумуса из лузги гречихи, снижению содержания никеля и меди - внесение биогумуса из лузги подсолнечника. В отличие от цезия-137, уменьшение концентрации свинца, никеля и меди в семенах фасоли происходит и после внесения в почву навоза КРС. В семенах овса снижение концентрации тяжелых металлов произошло под воздействием всех видов изучаемых удобрений как при низких, так и высоких значениях ГТК.

8. На оподзоленном черноземе снижение концентрации тяжелых металлов под влиянием вермикомпостов происходит как в семенах фасоли, так и в семенах овса. Концентрация свинца в них при низких значениях ГТК уменьшилась в 1,7-2,5 раза.

9. Наибольшая экономическая эффективность была достигнута в вариантах с внесением биогумуса из композиции 1/3 навоза + 2/3 лузги подсолнечника и биогумуса из композиции 1/3 навоза + 2/3 лузги гречихи, где уровень рентабельности составил, соответственно, в 1999 году - 124, 0- 198,0% г., в 2000 году - 160,0-204,1%.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Лузгу гречихи после предварительной обработки рекомендуется использовать для получения вермикомпоста (патент № 2205815). Изученные виды вермикомпоста могут быть использованы в качестве удобрения под зерновые и бобовые культуры с целью получения экологически более безопасной продукции. На темно-серой лесной почве и черноземе оподзоленном с целью снижения накопления в растительной продукции радиоактивного цезия и тяжелых металлов наиболее целесообразно применять вермикомпост из композиций 1/3 навоза КРС+2/3 лузги гречихи и 1/3 навоза КРС+2/3 лузги подсолнечника.

Полученные результаты исследования рекомендуется использовать в лекционных курсах вузов при изучении экологически безопасных способов снижения миграции радиоактивных элементов из почвы в растения.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата сельскохозяйственных наук, Ткаченко, Ольга Анатольевна, Орел

1. Агапкина Г.И., Тихомиров Ф.А. Цезий-137 в жидкой фазе почв в зоне ЧАЭС //Биологические и радиологические последствия аварии на

2. ЧАЭС: Тез. докл. 1 Междунар. Конф., Зеленый Мыс, 10-18 сент. 1990. -М.-1990. -С.36.

3. Агроклиматические ресурсы Орловской и Липецкой областей. Л.: Гидрометеоиздат. - 1972. - 119 с.

4. Алексахин P.M. Радиоактивное загрязнение почвы и растений. -М.:Изд-во АН СССР. 1963. - 132 с.

5. Алексахин P.M. Агрохимия цезия-137 и его накопление сельскохозяйственными растениями. //Агрохимия. 1977. - №2. - С. 129-142.

6. Алексахин P.M., Книжников И.А., Таскаев А.И. Естественный радиационный фон: Проблема миграции радионуклидов и биологического действия //Радиобиология. 1986. -Т.25, вып.З. - С. 292-301.

7. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: 1987. -142 с.

8. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. 2-е изд., перераб. и доп. М.:Изд-во МГУ. - 1970. - 486 с.

9. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М. - 1989. - С.36-39.

10. Бакунов Н.А., Архипов Н.П. Поведение стронция-90 и цезия-137 бомбового и реакторного происхождения в системе почва-растение. //Почвоведение. 1994. - №6. - С.41-47.

11. Баранов В.И., Морозова Н.Г. Поведение естественных радионуклидов в почвах //Современные проблемы радиобиологии. Радиоэкология. М.: Атомиздат. -1971. Т.2. - С. 13-40.

12. Белов М.П., Гнеушев М.И., Глотов Я.К., Шамов О.И. Справочник предельно-допустимых концентраций веществ в пищевых продуктах и средах обитания. М., 1993.-142 с.

13. Бесиамятпов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. — Л.: Химия. 1985. - 528 с.

14. Бойченко С.А. Соединения металлов в эволюции растений в биосфере //

15. Изв. АН СССР. Сер. Биол. 1976. - №3. - С.378-385.

16. Большаков В.А., Гальпер Н.Я., Клименко Г.А., Лычкина Т.И. Загрязнение почв и растительности тяжелыми металлами. — М: Гидрометеоиз-дат. 1978.-49 с.

17. Большаков В.А., Краснова Н.М., Борисочкина Т.И., Сорокин С., Гра-ковский В.Г. Аэротехногенное загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами: источники, масштабы, рекультивация. М.-1993. - 91 с.

18. Виноградов А.П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растениями и средой //Микроэлементы в жизни растений и животных. М.: Наука. 1985. - С.7-20.

19. Влияние химизации земледелия на содержание тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства //

20. Сб. науч. тр. М. 1988. - 175 с.

21. Волошин Е.И. Загрязнение почвы тяжелыми металлами и продуктивность растений. //Земледелие. 1998. - №3. - С.22-23.

22. Вороиская Г.Н., Николиишн Н.Д., Фомин Б.Н., Ноздрюхин В.В. Сезон-^ ная динамика содержания и поведения ртути в почве биополигона

23. Ледник Абрамова» //Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т.П. 1988. -С.78-83.

24. Высоцкий Г.Н. Дождевой червь //Полная энциклопедия русского сельского хозяйства. СПб. - 1980. - Т. 11. - С. 1227-1239.

25. Гамзикова О.И. Состояние исследований в области генетики минерального питания //Агрохимия. №4. - 1992. — С. 132-150.

26. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых ^ продуктов.// СанПин 2.3.2.1078 01. -Минздрав России.-М.:-2002.184 с.

27. Гиляров М.С., Стриганова Б.Р. Животное население почвы и его роль в создании почвенного плодородия //100 лет генетического почвоведения. М.: Наука. - 1986. - С.96-104.

28. Горешникова Е.В. Влияние свойств дерново-подзолистой почвы и известкования на поступление кадмия, цинка и свинца в растения: Авто-реф. дис. канд. биол. наук. М. - 1995. - 24 с.

29. Городний Н.М., Мельник И.А., Повхан М.Ф. Биоконверсия органических отходов в биодинамическом хозяйстве. К.: Урожай. - 1990. — 25611 с.

30. Гринь А.В., Ли С.К., Зырин Н.Г. Поступление тяжелых металлов (цинка, кадмия, свинца) в растения в зависимости от их содержания в почве //Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л.: Гидрометеоиздат. 1980. - С. 198-202.

31. Громова B.C. Палий М.В. Использование биогумуса в экологически неблагополучных районах // Химия в с-х.; №4, 1994. С. 17-18.

32. Громова B.C. Экологические аспекта применения удобрений в садовод-• стве // На благо отечественного садоводства: ТОО «Тургеневский бережок», Орел, 1996.-С. 147-154.31