Изучение эффективности различных приемов химической мелиорации чернозема выщелоченного, загрязненного медью

• Введение
• 1. Обзор литературы
• 1.1 Медь в природных объектах
• 1.1.1 Источники поступления меди в почву
• 1.1.2 Трансформация тяжелых металлов в почве
• 1.1.3 Поступление меди в растения
• 1.1.4 Токсикологическое действие меди на растения, животных, человека
• 1.2 Адсорбционная способность почв по отношению к меди
• 1.3 Приемы реабилитации почв, загрязненных медью
• 1.4 Биологические и морфологические особенности диагностических культур
• 2. Условия проведения опыта
• 2.1 Характеристика климатических и погодных условий
• 2.2 Агрохимическая характеристика чернозёмов выщелоченных Челябинской области
• 3. Экспериментальная часть
• 3.1 Методика закладки и проведения полевого стационарного опыта
• 3.2 Характеристика мелиорантов
• 3.3 Общая характеристика почвы полевого опыта
• 3.4 Содержание в почве подвижных форм меди
• 3.5 Урожайность культур экспериментального севооборота
• 3.6 Содержание меди в продукции культур севооборота
• 4. Экономическая оценка применения мелиорантов на почве, загрязненной медью
• 5. Безопасность жизнедеятельности
• 5.1 Охрана труда
• 5.1.1 Государственное управление охраной труда. Обязанности работодателя и работника в области охраны труда
• 5.2 Охрана природы
• Выводы
• Список литературы

Среди множества проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством одно из первых мест занимает проблема загрязнения окружающей среды различными химическими веществами — продуктами техногенеза, большая часть которых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы. Основным фактором остроты этой экологической ситуации остается высокая концентрация природозагрязняющих и природоразрушающих производств, преобладание таких экологически опасных отраслей промышленности, как черная и цветная металлургия, химическая и горнодобывающая промышленность, машиностроение и другие.

К тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 атомных единиц или химические элементы с удельным весом свыше 5г/см³. Не все ТМ представляют одинаковую опасность для живых организмов. По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях, лишь немногим более десяти элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы, в их число входит и медь. А также ртуть, свинец, цинк, кадмий, молибден, кобальт, никель, ванадий.

В связи с увеличивающимся загрязнением биосферы особый интерес и важное практическое значение имеет, с одной стороны, познание механизмов и закономерностей поведения и распределения ТМ в окружающей среде, а с другой, тот факт, что свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связано с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболеваний, либо способствует их развитию.

Челябинская область относится к числу регионов с критическим состоянием окружающей природной среды. Загрязнение ее территорий ТМ распределяется очень неравномерно, и медь является одним из основных загрязнителей. Уровень загрязнения превышает предельно допустимые концентрации металлов в почве (ПДК) в десятки и сотни раз (А.И. Левит, 2001).

В сложившейся ситуации актуален вопрос необходимости разработки мероприятий по восстановлению почв до состояния, пригодного для получения растениеводческой продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям. Для этого на опытном участке Института агроэкологии нами был проведен полевой опыт по изучению приемов агрохимической мелиорации чернозема выщелоченного, загрязненного медью.

Цель исследований:

изучить эффективность различных приемов химической мелиорации чернозема выщелоченного, загрязненного медью в почве, их влияние на содержание подвижных форм меди в почве, урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции.

Задачи:

в полевом стационарном мелкоделяночном опыте сравнить различные химические мелиоранты по их действию на подвижные формы меди, урожайность сельскохозяйственных культур и содержание металла в полученной продукции;

на основе полученных данных в полевом стационарном опыте определить коэффициент экономической эффективности и срок окупаемости капитальных вложений.

1. Обзор литературы

1.1 Медь в природных объектах

Все основные циклы миграции ТМ в биосфере (водные, атмосферные, биологические) начинаются в почве, потому что в ней происходит мобилизация металлов и образование различных миграционных форм.

По определению И. В. Синявского (2001) почва как один из главных объектов загрязнения — сложная полидисперсная система. Она обладает обменно-катионной поглотительной способностью, буферностью концентрации солей и величиной pH почвенного раствора. Тяжелые металлы при попадании в почву вступают в физические сорбционные процессы, химические реакции с элементами почвенного раствора и в физико-химические обменные реакции почвенного поглощающего комплекса.

Почва имеет ведущее значение в производстве сырья для многих видов промышленности, продуктов питания и кормов для сельскохозяйственных животных. В основу нормирования таких загрязняющих веществ, какими являются ТМ, положен принцип, допускающий возможность их поступления в количествах, безопасных для человека и окружающей среды. Почвы, в которых содержание ТМ превышает фоновое, но не является опасным для здоровья человека, следует считать слабозагрязненными (В.Б. Ильин, 1991). Фоновое содержание ТМ в почвах можно считать исходным их количеством, естественным уровнем загрязнения. На черноземах выщелоченных валовое фоновое содержание меди составляет в пахотном горизонте 62 мг/кг, а в слое 0−10 возрастает до 140 мг/кг (А.П. Козаченко, 1999). Под предельно допустимыми количествами ТМ в почве следует понимать такую их концентрацию, которая при длительном воздействии на почву и произрастающие на ней растения не оказывает патологических изменений или аномалий в ходе биологических процессов и не приводит к накоплению токсичных элементов в возделываемых культурах, а, следовательно, и в продукции (О.А. Соколов, В. А. Черников, 1999). ПДК меди в почве 3 мг/кг.

1.1.1 Источники поступления меди в почву

Значительные количества выбросов промышленных предприятий, содержащих высокие концентрации ТМ и токсичных веществ в атмосферу, ведут, в свою очередь, к ежегодному попаданию в почву более 960 тыс. т. оксидов и более 1,4 млн. т. активных химических веществ. Следствием этого является не только снижение плодородия почв, но и создание условий, наряду с агротехническими нарушениями, для образования ежегодно до 1,4 млн. га эрозионных и эрозионноопасных земель.

Поступление тяжелых металлов, в частности меди, в почву вследствие техногенного рассеяния осуществляется разнообразными путями. По данным Д. С. Орлова, Л. К. Садовниковой (2002) важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах: черной и цветной металлургии, обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Воздушными потоками выбросы переносятся на большие расстояния (до 10 км), причем большая их часть выпадает на расстоянии 1−3 км от эпицентра. Ежегодно выбросы специфических загрязняющих веществ составляют 750−800 т, из них меди — 95 т (А.П. Козаченко, 1999). Надо сказать, что техногенная доля меди в окружающей среде составляет примерно 75%.

Кроме того, источником загрязнения почвы медью может служить орошение ее водами с повышенным содержанием этого металла. Согласно публикации комплексного доклада Челябинского областного центра по гидрологии и мониторингу окружающей среды (2000) река Миасс — одна из крупнейших водных артерий Челябинской области. Ниже города Миасса под влиянием промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод качество воды р. Миасс существенно ухудшается. Содержание в ней меди составляет от 2,5 до 3,0 ПДК.

Загрязнение земель медью происходит не только за счет выбросов предприятий промышленности, но и за счет веществ, потребляемых самим сельским хозяйством, например, пестицидов. Такое загрязнение называется агрогенным (А.И. Левит, 2001). Пестицидами называются химические вещества, которые защищают растения от сорняков и вредителей, стимулируют их рост, защищают от болезней. Являясь важнейшим средством сохранения и приумножения урожаев, они в то же время представляют значительную угрозу для окружающей природы. Их остатки загрязняют почву, снижают биологическую активность, накапливаются в листьях и стеблях растений, вызывая их повреждение (А.И. Левит, 2001).

Согласно публикациям А. Д. Бандман, Г. А. Гудзовского, Л. С. Дубейковской и др. (1988) многие соединения мадии применяются в качестве пестицидов в чистом виде, как оксид меди (I) и сульфат меди (II), или в составе сложных препаратов. Гидроксидхлорид меди (II) применяется с добавкой сульфитно-спиртовой барды и декстрина. Фунгицидный препарат купрозан содержит 37,5% этого соединения, а купронил — 35% гидрокарбоната меди (II).

По мнению А. И. Левит (2001) опасное загрязнение земель происходит и в тех случаях, когда нарушаются нормы хранения или запасы ядохимикатов, содержащих в своем составе медь, выбрасываются, складируются в неположенных местах — близ дорог, водоемов.

Мощным источником загрязнения почв медью также могут являться и агротехнические мероприятия, направленные на повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Например, необходимость применения минеральных удобрений одновременно с повышением урожайности может вызвать загрязнение почв тяжелыми металлами, в частности медью, вследствие аккумуляции избыточного количества удобрений в почвенном профиле при передозировке или неравномерном внесении. Подобный эффект может наблюдаться при бесконтрольном использовании в качестве минеральных удобрений отходов различных отраслей промышленности (О.С. Орлов, 2002).

По данным В. И. Артамонова (1996) избыточное внесение экскрементов животных в почву ведет к увеличению содержания в ней подвижной меди.

Итак, критический уровень, т. е. величина, при которой поступление ТМ в окружающую среду не приводит к накоплению выбросов в почве составляет для меди 3−30 кг/км² в год. Загрязненная почва, в которой содержание меди превышает допустимый уровень, теряет четкую структуру, общая порозность ее уменьшается. Разрушение структуры приводит к нарушению водопроницаемости, ухудшению вводно-воздушного режима (А.Д. Бандман и др., 1988).

1.1.2 Трансформация тяжелых металлов в почве

Выпадающие на поверхность почвы ТМ аккумулируются в слое 2−5 см и подразделяются на фиксирующую и мигрирующую части. Значительная реакционная поверхность минерального вещества, наличие почвенных растворов и органического вещества, насыщенность микроорганизмами, мезофауной и корнями высших растений, гранулометрический состав, вводно-тепловой режим и геохимический фон региона создают сложнейшую систему трансформации ТМ в почве.

Согласно публикациям Д. С. Орлова и др. (2002) первым этапом трансформации оксидов ТМ в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. Даже в такой простой системе, как вода, находящиеся в равновесии с СО₂ атмосферного воздуха, оксиды ТМ подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости. Оксид меди — наиболее стабилен и менее растворим.

Парциальное давление СО₂ в почвенном воздухе во много раз превышает таковое в атмосфере и поэтому в почве преобладают более устойчивые гидрокарбонаты и карбонаты меди.

Следующими реакциями являются катионный обмен и специфическая адсорбция. Ионы ТМ, в частности меди, способны специфически адсорбироваться почвами с образованием прочных связей координационного типа с некоторыми поверхностными функциональными группами.

Специфическая адсорбция более избирательна, чем неспецифическая, и зависит как от свойств сорбируемых ионов, так и от природы поверхностных функциональных групп, поэтому ТМ энергично адсорбируются почвами из растворов.

Таким образом, процесс трансформации поступившей в почву в ходе техногенеза меди включает следующие стадии:

1) преобразование оксидов меди в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты);

2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидрокарбонатов) меди и адсорбция соответствующих катионов твердыми фазами почвы;

3) образование фосфатов меди и их соединений с органическими веществами почвы (Д.С. Орлов и др., 2002).

Так работы В. Н. Переверзева, Т. Е. Свейструп, М. С. Стрелковой (Почвоведение, 2002;№ 3) показывают, что пылевые выбросы, с которыми в почву поступают ТМ, локализуются в верхнем слое подстилки, и только сравнительно небольшая их часть переходит в обменное состояние (не более 10% от валового содержания их в этом слое). В отношении меди характерны следующие закономерности. Наибольшее ее содержание отмечается в самом верхнем слое органогенного горизонта, но при переходе к следующему слою количество подвижной меди резко, а не постепенно, уменьшается и продолжает уменьшаться к нижележащим горизонтам.

1.1.3 Поступление меди в растения

Медь относится к числу микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности растений. Она играет значительную роль в фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота, метаболизации протеинов. Отмечается большое влияние меди на проницаемость для воды сосудов ксилемы, а следовательно, и баланс влаги. Кроме того, этот элемент контролирует образование ДНК и РНК, его дефицит заметно тормозит репродуцирование растений.

По данным Н. А. Черных и др. (1999) содержание меди в растениях незагрязненных областей колеблется от 1 до n10 мг/кг сухой массы. При этом диапазон концентраций данного элемента в зерне злаковых составляет 1,3−10,3 мг/кг. Более высокие концентрации меди в органогенном горизонте отрицательно сказываются на росте и развитии сельскохозяйственных культур.

Одной из причин токсичности этого металла является то, что медь относится к числу элементов, интенсивно накапливающихся в растениях. В результате этого у растений возникают симптомы отравления: хлороз листьев, слабое развитие корневой системы, происходит повреждение тканей, изменение проницаемости клеточных мембран и ингибирование процессов фотосинтеза, замедляется прорастание семян (И.В. Синявский, 2001).

Тяжелые металлы поступают в почву в форме различных соединений (карбонатов, оксидов) с ограниченной растворимостью. Поэтому только часть из них может быть усвоена растениями. Для растений представляет опасность так называемая доступная форма элемента, которая может быть усвоена непосредственно через корневую систему. Доступными считаются те соединения, которые переходят в вытяжку 2 М азотной кислоты или 1Н раствор соляной кислоты. Именно эти формы ТМ поступают из почвы в растения и оказывают токсическое действие.

Итак, исходя из публикаций О. А. Соколова (1999) главный путь поступления ТМ, в частности меди, в растения — это адсорбция корнями. Поглощение этих химических элементов корнями растений включает следующие этапы: преодоление пектоцеллюлозной мембраны клеточной оболочки, затем прохождение через плазмалемму, цитоплазму и тонопласт (вакуолярная мембрана). Этот путь связан с прохождением ионов ТМ через поры мембраны по градиенту концентрации, прохождением через поры мембраны с потоком растворителя, липоидной диффузией, поступлением с участием переносчиков, обменной диффузией, активным метаболическим переносом ТМ и никоцитозом. Мембраны, обладая биокаталитической активностью, осуществляют перенос ТМ. Пассивная диффузия составляет только 2−3% от всего количества усвоенных элементов.

Основные пути поступления ТМ в растения — апоплазматический и симплазматический. Апоплазматический путь осуществляется по свободному пространству клеточных оболочек и межклетников по принципу диффузии и потока воды с растворенными в ней ТМ. Поступление химических элементов в растения по этому пути возрастает с повышением их содержания в почвенном растворе.

Апоплазматическим путем ионы металлов поступают преимущественно в вегетативные части растений. Симплазматический путь поступления ТМ между клетками по плазмодесмам носит избирательный характер и способствует поступлению ионов металлов в репродуктивные органы растений.

Поступление ТМ в растительные организмы происходит не только через корни. Существует еще один путь — поглощение металлов через листовую поверхность. При этом растворенная пыль, содержащаяся в атмосфере вследствие интенсивного развития промышленности и автотранспорта, способна проникать как прямо в устьица, так и диффундировать через покровные ткани листовой пластинки. При этом скорость проникновения элементов в организм зависит от толщины кутикулы.

Поступление ТМ в растения обусловлено влиянием множества факторов, важнейшими из которых являются: свойства почв и динамика почвенных процессов, химические свойства металлов, состояние и трансформация их соединений, физиологические особенности растений (Н.А. Черных, 1999).

1.1.4 Токсикологическое действие меди на растения, животных, человека

Действие ТМ на живые организмы зачастую скрыто, но они передаются по трофическим цепям с выраженным кумулятивным эффектом, поэтому проявления токсичности могут возникать неожиданно на отдельных уровнях трофических цепей. Токсичность ТМ для живых организмов определяется как свойствами и уровнем концентраций самих элементов, так и их миграционной способностью в различных компонентах экосистемы, а также степенью накопления в органах и тканях.

По мнению Б. А. Ягодина (1995), для комплексной оценки воздействия для каждого химического элемента необходимо различать четыре уровня концентрации:

дефицит элемента, когда организм страдает от его недостатка;

оптимальное содержание, способствующее хорошему состоянию организма;

терпимые концентрации, когда депрессия организма лишь начинает проявляться;

губительные для данного организма.

Медь относится к группе жизненно необходимых для живых организмов элементов. В организме человека она образует комплексы с аминами и соединениями серы, способствует синтезу гемоглобина крови, ускоряет формирование эритроцитов, восстановление костной ткани, усиливает действие инсулина, препятствует распаду гликогена в печени, способствует синтезу витаминов В₁, С, Р, РР и Е (О.А. Соколов, В. А. Черников, 1990). Но при высоких уровнях содержания этот элемент обладает широким спектром токсического действия. Ионы меди способны блокировать SH-группы белков, в особенности ферментов. Острая интоксикация ионами Cu²⁺ сопровождается выраженным гемолизом эритроцитов. Интоксикации соединениями меди могут сопутствовать аутоиммунные реакции и нарушение метаболизма моноаминов (В.И. Артамонов, 1996).

Избыток меди оказывает вредное воздействие на организм теплокровных. Попадание значительных количеств меди или ее соединений с пищей может вызвать тяжелое отравление, которое будет сопровождаться схваткообразными болями в животе, тошнотой, приступами кашля, раздражением слизистых. По утверждению А. Л. Бандмана (1988), медь относится к группе высокотоксичных металлов, способных вызывать острое отравление человека и животных, и обладающих широким спектром токсического действия с многообразными клиническими проявлениями.

1.2 Адсорбционная способность почв по отношению к меди

Исследования по определению адсорбционной способности почвы проводились на кафедре агроэкологии-агрохимии-почвоведения.

Одним из важных аспектов данной проблемы являлось определение емкости поглощения и установления того предела, при котором ТМ нейтрализуются за счет собственной емкости поглощения почвы, без применения химических мелиорантов.

В итоге проведенных экспериментов были получены следующие результаты.

Чернозем выщелоченный обладает достаточно высокой поглотительной способностью по отношению к меди. Предельная поглотительная способность его по отношению к меди, которая нейтрализуется за счет собственной емкости поглощения баз применения химических мелиорантов, составила 19 г/кг. Такую высокую поглотительную способность чернозема выщелоченного можно объяснить значительным содержанием органического вещества (гумуса). По данным А. П. Козаченко (1999) оно в большинстве случаев превышает 6% в относительном исчислении и 150 т/га при определение запаса в пахотном слое 0−20см.

Большое значение имеет кислотность (щелочность) почв. В среде с pH выше 6 единиц большинство ТМ находиться в форме труднорастворимых гидроокисей. В этом случае концентрация в почвенном растворе и токсичность ТМ резко снижается (Т.В. Тетюева, 1999).

1.3 Приемы реабилитации почв, загрязненных медью

Выработка критериев для оценки степени деградации и токсичности почвенного покрова, а также разработка приемов восстановления плодородия загрязненных ТМ почв, являются в настоящее время весьма актуальными задачами. В целом все приемы снижения токсичности почв, содержащих большие количества ТМ, можно подразделить на предупредительные и приемы по ликвидации уже существующего загрязнения. Основное мероприятие по защите почв и растений от загрязнения ТМ — это предотвращение загрязнения, которое базируется на совершенствовании технологий производства, создании замкнутых технологических систем, а также на контроле за внесением в почву отходов промышленности в качестве удобрений и мелиорантов. Широкое применение сточных промышленных вод для орошения сельскохозяйственных угодий ставит задачу очистки этих вод от ТМ.

Меры по ликвидации уже существующего загрязнения подразумевают использование материалов и веществ, связывающих ТМ в недоступной для растений форме и способствующих повышению плодородия почв (извести, органических удобрений, цеолитов, синтетических смол и др.), применение агротехнических приемов, приводящих к удалению металлов из верхних корнеобитаемых слоев почвы, а также возделывание на загрязненных почвах сельскохозяйственных культур, способных накапливать металлы в количествах, не превышающих их предельно-допустимые уровни.

Подвижность ТМ и доступность их для растений в значительной степени контролируются такими свойствами почв как кислотно-щелочные условия, окислительно-восстановительные режимы, содержание гумуса, гранулометрический состав и связанная с ними емкость поглощения.

При планировании мероприятий по восстановлению почв конкретной территории необходимо учитывать ее положение в окружающем ландшафте, а также неоднородность, как почвенного покрова, так и загрязнения. При этом следует иметь ввиду также тот факт, что максимальное количество ТМ аккумулируется в верхних наиболее плодородных горизонтах почв.

Итак, реабилитация почв, загрязненных ТМ, предусматривает следующие мероприятия (В.Т. Граковский и др., 1994):

1. Выбор способа использования загрязненных земель, который предусматривает перепрофилирование отраслей сельскохозяйственного производства, смену угодий, подбор севооборотов, а также отдельных сельскохозяйственных культур с целью максимального снижения поступления ТМ в товарную продукцию. При этом эффект санации достигается за счет того, что одни культуры выносят металлы из почвы сильнее, другие — слабее, одни используются в пищу непосредственно, другие — после переработки, третьи — вообще не пищевые. Так, на почвах, загрязненных ТМ выше ПДК, нельзя выращивать салат, шпинат, укроп, лук, петрушку, а также кормовые культуры. Эти земли можно использовать для производства зерна, семян, под технические и плодовые культуры.

2. Приемы фитосанации загрязненных почв, которые основываются на способности отдельных растений поглощать из почвы значительное количество ТМ. После выращивания биомасса таких культур подвергается утилизации и захоронению.

3. Перемещение и удаление загрязнителей из верхних наиболее плодородных горизонтов почвы в нижележащие. Для этого применяют глубокую (на 30 см и более) или плантажную вспашку в сочетании с внесением органических удобрений, что позволяет удалить загрязненный верхний слой почвы за пределы корнеобитаемого горизонта. На участках, где загрязнение почвы достигает высокой и чрезвычайно высокой опасности добиться эффекта санации возможно только путем удаления верхнего загрязненного слоя скрепером, грейдером, бульдозером и др. Однако могут возникнуть проблемы, связанные со снижением плодородия почв и с захоронением загрязненного почвогрунта.

В случае равномерного распределения ТМ по всей глубине плодородного слоя почвы применяют очень дорогостоящий прием, заключающийся в переводе содержаний ТМ в подвижную форму (изменение кислотности, добавление солей, комплексообразователей) и их промывке в более глубокие горизонты, где они становятся недоступными для корневой системы растений. Однако в результате такой санации почв возможно загрязнение других природных объектов, в частности подземных и поверхностных вод.

4. Дезактивация ТМ, загрязняющих почву, путем их перевода в недоступное для растений состояние. Этот прием способствует снижению поступления ТМ, как в растения, так и в природные воды. Он называется агрохимической мелиорацией, самым распространенным способом которой, по определению А. П. Козаченко, О. Р. Камеристовой и др. (2000), является известкование. Это создание нейтральной или слабощелочной среды, способствующей образованию труднорастворимых и малотоксичных солей (например, CuCO₃). На выщелоченных и оподзоленных черноземах дозы известковых удобрений, как правило, рассчитываются по величине гидролитической кислотности.

При химической мелиорации загрязненных ТМ почв можно применять любые известковые удобрения с учетом активно действующего вещества в них, а также при обязательном контроле за содержанием токсичных примесей.

Внесение органических удобрений.

Применение органических удобрений (торфонавозных компостов, навоза, сидератов, соломы), увеличивающих запасы органического вещества в почве, ее буферную способность и емкость поглощения, является эффективным средством снижения подвижности большинства ТМ. Наибольший эффект дает использование торфокомпостов. При загрязнении почв ТМ органические удобрения применяют в максимально возможных дозах с учетом потребности сельскохозяйственных культур в азоте, чтобы не происходило избыточного накопления нитратов в растительной продукции.

Применение фосфорных удобрений.

Взаимодействие в почве ТМ с фосфат-ионами в большинстве случаев приводит к снижению их подвижности вследствие образования труднорастворимых соединений. Эффективность применения фосфорных удобрений зависит от содержания металлов в почве и реакции среды. Так, фосфоритную муку целесообразно применять на почвах с pH<5,8 в дозах от 300 до1000 кг/га P₂O₅, а суперфосфата — 120−150 кг/га с учетом обеспеченности почвы фосфором, планируемых урожаев и выноса (М.М. Овчаренко, 1997).

Из агротехнических мероприятий еще эффективно применение природных сорбентов (вермикулита, монтморилонита, глауконита и др.) и всех других веществ, после обработки которыми ТМ почвы переходят в труднорастворимое состояние (например, угольной и серной кислотами). Установлено, что природные цеолиты — гидроалюмосиликаты (вермикулит и монтморилонит) благодаря высокой адсорбционной способности переводят ТМ в малоподвижное состояние (В.А. Большаков и др., 1993).

В последние годы появились исследования, посвященные изучению закрепления металлов в почве и снижения их фитотоксичности с помощью микроорганизмов, способных сорбировать данные ТМ. Однако, имеющиеся данные еще достаточно противоречивы и на данном этапе не могут служить базой для широкого применения микроорганизмов в целях мелиорации загрязненных тяжелыми металлами почв.

1.4 Биологические и морфологические особенности диагностических культур

Яровая пшеница (Tritikum aestivum)

Семейство мятликовых — Poaceae.

Род — Tritikum.

Корневая система мочковатая, слабо развита. В глубину уходит до 1 метра. Основная масса корней находится в пахотном слое почвы.

Стебель — грубая соломина, полая, высотой более 1 м. На стебле имеется от 4 до 7 междоузлий.

Листья ланцетно-линейной формы, широкие.

Колос состоит из колосового стержня, на котором имеются уступы. На уступах сидят колоски. Колосок состоит из двух колосковых чешуй и от двух до пяти цветков.

Цветок состоит из двух цветковых чешуй, пестика с двухлопастным рыльцем и из трех тычинок. Кроме того, в нижней части цветка имеется белая пленочка, которая называется лодикуле.

Во время роста и развития пшеница проходит следующие фазы:

всходы;

кущение;

фаза выхода в трубку;

фаза колошения;

цветение;

созревание (молочная спелость, восковая спелость, полная спелость);

Прорастание семян яровой пшеницы возможно уже при температуре 1−2⁰С, жизнеспособные всходы появляются при 5−7⁰С, наиболее благоприятная температура для прорастания 12−15⁰С. Всходы переносят непродолжительные заморозки до — 10⁰С. Благоприятная температура для роста и развития от 18 до 25⁰С. Температура выше 30⁰С и сухие ветра неблагоприятно сказываются на растениях и ведут к снижению урожайности и качества зерна. Сумма активных температур за период всходы-созревание составляет 1500−1750⁰С.

Яровая пшеница — влаголюбивая культура. Для прорастания семян требуется 55−65% воды от массы семени мягкой пшеницы и 70−80% от массы семени твердой пшеницы. Наиболее благоприятна для растений влажность почвы в пределах 70−75% наименьшей влагоемкости. Транспирационный коэффициент 400−500.

К почве яровая пшеница весьма требовательна, предпочитает плодородные почвы, насыщенные питательными веществами. Хорошие урожаи ее можно получать на почвах слабокислых и нейтральных (pH 6,0−7,5). При кислой pH пшеница выпадает из травостоя. Лучше всего растет на уплотненных почвах (1,1−1,2 г/см³), но пахотный слой должен быть глубоким.

Вегетационный период мягкой пшеницы 85−105 дней, твердой пшеницы — 110−115 дней.

Ячмень (Hordeum vulgare)

Семейство мятликовых — Poaceae.

Род — Hordeum.

Ботаническая характеристика такая же, как у пшеницы.

Ячмень — культура умеренных температур. Семена начинают прорастать при температуре 1−3⁰С, но всходы будут изреженные. Ранние и дружные всходы появляются при температуре 5−7⁰С. Оптимальная температура для прорастания 15−20⁰С. Всходы выдерживают кратковременные заморозки до — 6−8⁰С. Благоприятная температура для роста и развития от 17 до 24⁰С. Температуры выше 40⁰С ячмень переносит лучше, чем пшеница и овес. Для полного развития ячменя требуется сумма активных температур 1000−1500⁰С для скороспелых сортов и 1800−2000⁰С для позднеспелых.

Среди ранних яровых зерновых ячмень — самая засухоустойчивая культура. Для прорастания семян требуется 45−70% влаги от массы семени. Если влажность почвы не ни же 65−75% наименьшей влагоемкости, то ячмень развивается хорошо. Транспирационный коэффициент 350−403.

Ячмень возделывается на различных почвах, однако лучшими для него являются плодородные структурные почвы с нейтральной реакцией (pH 6,5−7,5), насыщенные калием и фосфором.

Ячмень самая скороспелая культура, длительность вегетационного периода 60−110 дней.

Овес (Avena sativa)

Семейство мятликовых — Poaceae.

Род — Avena.

Ботаническое строение как у яровой пшеницы.

Овес — сравнительно холодостойкая культура. Семена начинают прорастать при температуре 2−3⁰С, благоприятная температура 8⁰С. Всходы переносят заморозки до — 8…-10⁰С. Благоприятная температура для роста и развития 18−22⁰С. Высокую температуру (более 35−40⁰С) овес переносит хуже, чем пшеница и ячмень. Он подвергается «запалам» и «захватам» при температуре 38−40⁰С, паралич устьиц у него наступает через 4−5 часов, тогда как у пшеницы через 5−10 часов, у ячменя вообще через 25−30 часов. Сумма активных температур от всходов до созревания составляет для раннеспелых сортов 1000—1500⁰С, для среднеспелых — 1350−1650⁰С и для позднеспелых — 1500−1800⁰.

Овес более влаголюбив, чем пшеница и ячмень. Для прорастания семян необходимо 65% от массы семени. Влажность почвы при высеве должна быть не менее 60% полной влагоемкости. Транспирационный коэффициент 474.

К почвам овес не требователен, может произрастать и давать неплохие урожаи на супесчаных, суглинистых, глинистых и торфяных почвах. Овес выносит повышенную кислотность почвы, его можно возделывать на кислых почвах (pH 5−6) и при освоении торфяников. Солонцеватые почвы для данной культуры непригодны.

Длительность вегетационного периода в зависимости от почвенно-климатических условий и сорта составляет 80−125 дней. Овес созревает позднее, чем пшеница и ячмень.

2. Условия проведения опыта

2.1 Характеристика климатических и погодных условий

Климат является одним из важнейших факторов в процессах почвообразования. Северная лесостепь представляет собой Зауральскую холмистую равнину. По биоклиматическим показателям территория лесостепного Зауралья подразделяется на подзоны: умеренно влажную северную, периодически засушливую центральную и полузасушливую южную. Красноармейский район Челябинской области относится к подзоне Центральной, которая является главной почвенной базой земледелия региона.

Климат данной подзоны характеризуется периодической засушливостью и четко выраженной континентальностью климата. По многолетним данным ряда метеостанций средняя температура самого холодного месяца (января) составляет -18,6⁰, а самого теплого (июля) +17⁰, то есть годовые колебания среднемесячных температур равны 35,6⁰. Континентальность климата проявляется и в резком переходе по времени года положительных температур в отрицательные и, наоборот, отрицательных в положительные, в многократном возврате холодов в весенний и раннелетний период.

Переход отрицательных среднесуточных температур в положительные приходится на конец первой декады апреля. Температура выше +5⁰ устанавливается в третьей декаде апреля, а выше +10⁰ — только в первой декаде мая. Продолжительность периода со среднесуточными температурами выше +10⁰ составляет 125−145 дней (примерно с 8 мая по 18 сентября). Сумма положительных температур больше 10⁰ колеблется в пределах 2000;2330⁰С. Однако, безморозный период заметно короче 100−110 дней, а на почве температура без заморозков бывает 90−105 дней. Оттаивание почвы заканчивается 6−21 мая. Позднее оттаивание и связанная с ним низкая температура почвы отрицательно сказывается на деятельности полезных микроорганизмов и на развитие растений.

Осадков за период активной вегетации растений выпадает в пределах 240−250 мм. Влагозапасы в метровом слое почвы к моменту посева зерновых культур бывают достаточными — 140−170 мм. Гидротермический коэффициент (по Селянинову) в весенне-летний период составляет 1,2−1,4.

Поэтому центральная лесостепь Зауралья одна из наиболее благоприятных для развития земледелия. Все сорта основных зерновых культур здесь обеспечены теплом.

Устойчивый снежный покров устанавливается в середине ноября, достигая 30−40 см, и сохраняется 150−160 дней. Он обеспечивает благоприятные условия для перезимовки озимых культур.

Погодные условия при проведении полевых исследований за три наблюдаемых года (2000, 2001, 2002) были разнообразными (табл.1).

В 2000 году ГТК за вегетацию составил 1,04, что говорит о недостаточном увлажнении. В мае 2000 года сумма осадков значительно превысила норму, а температура воздуха была несколько ниже средних значений. В результате переувлажнения почвы посев был перенесен на более поздние сроки, а низкие температуры стали причиной задержки в прорастании сельскохозяйственных культур. Июнь был более жарким и сухим, чем в предыдущие годы. Температуры воздуха выше средних значений, сумма осадков ниже нормы в первой и второй декадах и ненамного выше в конце месяца.

В июле 2000 года температуры и количество осадков были близки к норме и благоприятны для роста и развития растений.

Август — более сухой. Лишь во второй декаде сумма осадков несколько превысила среднее значение, а к концу месяца осадки практически прекратились, заметно облегчив уборку культур.

2001 год характеризовался, как наиболее благоприятный для возделывания кормовых и зерновых сельскохозяйственных культур. В мае 2001 года при достаточно высоких среднесуточных температурах, осадки распределились равномерно с преобладанием в конце месяца. Это, наряду с достаточно большими запасами влаги, способствовало дружным всходам всех сельскохозяйственных культур.

Июнь и июль 2001 года отличались температурами превышающими среднемноголетние значения как по декадам, так и в целом по месяцам, но благодаря достаточно большому количеству прошедших дождей (июнь — 110,0 мм, при среднемноголетнем — 52,0 мм; июль — 55,5 мм, при среднемноголетнем — 82 мм) засухи характерные для этих месяцев, были исключены.

В августе 2001 года не происходило резкого понижения среднесуточных температур воздуха, даже в третьей декаде. Температура оставалась на уровне 16−18⁰С. Осадки, хотя и незначительно, превысили обычное для этого месяца количество, но это не сказалось отрицательно на прохождении фаз спелости зерновых культур. Благодаря этому и достаточно тёплому, сухому сентябрю уборочные работы прошли в оптимальные для Зауралья сроки.

Гидротермический коэффициент по Селянинову составил 1,38, что подтверждает вывод о том, что 2001 год был благоприятный для возделывания сельскохозяйственных культур.

Май 2002 года характеризовался небольшим количеством осадков, с наибольшим показателем в начале месяца. Среднемесячная температура составила 10, 20С. Июнь 2002 года отличался пониженной температурой по сравнению с двумя предыдущими годами, а количество выпавших осадков превысило среднемноголетние данные на 16,2 мм. В июле происходило снижение температуры по декадам, а август 2002 года характеризовался недостаточной обеспеченностью теплом и большим количеством осадков.

2.2 Агрохимическая характеристика чернозёмов выщелоченных Челябинской области

Выщелоченные чернозёмы являются лучшими пахотными почвами Зауралья. В Челябинской области они занимают площадь 1,36 млн. га. Выщелоченные чернозёмы имеют сравнительно большую мощность гумусового горизонта (30−50см), карбонаты в них залегают менее глубоко по сравнению с оподзоленными чернозёмами. Для выщелоченных чернозёмов характерно заметное уплотнение переходного (АВ) и иллювиального (В) горизонтов, отсутствие кремнеземистой присыпки и ореховатой структуры. Благодаря сравнительно мощному пахотному слою они характеризуются благоприятными для большинства сельскохозяйственных культур водно-физическими и физико-химическими свойствами. Однако они нередко имеют низкую обеспеченность доступными элементами питания, особенно фосфором (И.В. Синявский, 2001).

Выщелоченные чернозёмы Зауралья характеризуются достаточно высоким содержанием пылеватой и илистой фракции, то есть частиц размером 0,01−0,001 мм и менее 0,001 мм. Они имеют преимущественно мелкопылевато-иловатый и иловато-пылеватый тяжелосуглинистый, реже среднесуглинистый и легкосуглинистый состав, но встречаются разновидности иного гранулометрического состава (А.П. Козаченко, 1999).

На опытном поле Института агроэкологии почва представлена черноземами выщелоченными среднесуглинистыми. Равновесная объемная масса пахотного слоя черноземов выщелоченных опытного поля колеблется в пределах 1−1,1 г/см³, что обеспечивает общую порозность биологически активного слоя 57−60%, то есть такую, которая обеспечивает оптимальный водно-воздушный режим. Устойчивость сложения обеспечена высоким содержанием водопрочных агрегатов более 0,25 мм.

Физико-химические свойства почвы оцениваются по показателю кислотности: актуальной (водная вытяжка), обменной (вытяжка раствором нейтральной соли KСl), и гидролитической (вытяжка раствором гидролитически щелочной соли CH₃COONa). Актуальная кислотность обусловлена повышенной концентрацией в почвенном растворе ионов Н⁺ по сравнению с ОН ^- и выражена значением отрицательного логарифма концентрации водородного иона рН, который непосредственно обеспечивает ту или иную степень кислотности почвы. Для черноземов выщелоченных опытного поля характерна слабокислая реакция в пахотном горизонте. На этом уровне она сохраняется до горизонта ВС и С. Гумуса в пахотном слое содержится 7,63%, а запас составляет 210 т/га. По принятой градации это высокий показатель гумусового состояния.

Определение содержания и запаса азота подтверждает известную связь между количеством в почве этого элемента и гумуса. Как показывает таблица2, со снижением содержания гумуса вниз по профилю почвы следует соответственно снижение содержания азота. В пахотном слое азота содержится 0,264% или 7,84 т/га. Однако, только 3,1−4,3% этого количества приходится на легкогидролизуемую фракцию, которая наиболее доступна почвенным микроорганизмам и является ближайшим резервом для трансформации в минеральную, усваиваемую растениями форму.

Слабокислая среда черноземов выщелоченных создает условия для повышения подвижности фосфатов. Концентрация фосфора в пахотном слое составляет 0,135% в подпахотном — 0,089% или 3,72 и 1,56 т/га. В то же время содержание его подвижных фракций как правило низкое.

По отношению к валовому фосфору подвижные фракции составляют менее 0,5%. Черноземы выщелоченные имеют среднюю и повышенную обеспеченность калием, если судить по содержанию его обменной фракции. В пахотном слое его содержится 7,22% или 61,7 т/га, в подпахотном — 2,23% или 39 т/га. В поглощающем комплексе на долю обменного калия приходится 0,55−0,90%.

Агрохимическая характеристика чернозема выщелоченного опытного поля Института агроэкологии представлена в таблице 2.

3. Экспериментальная часть

3.1 Методика закладки и проведения полевого стационарного опыта

Для разработки, совершенствования и сравнения по эффективности различных способов химической мелиорации чернозема выщелоченного, загрязненного медью, на опытном поле Института агроэкологии в 1999 году заложен мелкоделяночный стационарный опыт в экспериментальном севообороте пар — яровая пшеница — ячмень — овес. Площадь делянки 2 м², размещение рендомизированное в четырех кратной повторности (табл.3).

Таблица 3 — Чередование культур в экспериментальном севообороте за период одной ротации

Загрязнение чернозема выщелоченного медью проводили, используя соль серной кислоты — сульфат меди. Доза внесения CuSO₄•5H₂O составила 30,4 г на делянку (2м²). Соль вносили в растворенном виде равномерно на всю площадь делянки, рыхлили с помощью штыковой лопаты и затем содержали по типу чистого пара. Все операции по механическому воздействию на почву чистых и загрязненных фонов были идентичны.

После парования внесли вразброс мелиоранты: глауконит — 10 т/га, из расчета на чистый минерал; известь — 5 т/га, в соответствии с рекомендациями по известкованию кислых почв и в расчете на рН 7,0; фосфоритную муку — 5 т/га, согласно выводам Н. А. Черных с сотрудниками (1999). Каждый из используемых химических мелиорантов обладает различным действием.

Известь — снижает подвижность металла за счет взаимодействия его с карбонатами почвенного раствора при рН близкой к нейтральной среде.

Фосфоритная мука — обеспечивает взаимодействие металла с фосфат-ионами до нерастворимых соединений.

Глауконит — природный сорбент, обладающий высокой емкостью поглощения по отношению к меди.

Перед посевом сельскохозяйственных культур почву рыхлили (вручную). Высевали яровую пшеницу сорта Казахстанская раннеспелая, ячмень Медикум 85, овес сорта Скакун. Для каждой культуры было подготовлено 8 вариантов опыта, на которых изучалось действие мелиорантов на урожайность культур и показатели плодородия почв.

Вариант 1. Почва в исходном состоянии Вариант 2. Почва + Zn (контроль для цинка) Вариант 3. Почва + Zn + глауконит, 10 т/га;

Вариант 4. Почва + Zn + известь, 5 т/га;

Вариант 5. Почва + Zn + фосфоритная мука, 5 т/га;

Вариант 6. Почва + Cu (контроль для меди) Вариант 7. Почва + Сu + глауконит, 10 т/га;

Вариант 8. Почва + Сu + известь, 5 т/га;

Вариант 9. Почва + Сu + фосфоритная мука, 5 т/га.

Схема приведена на рисунке 1.

Схема полевого опыта *

оросительный канал

без

мелиоранта

Zn незагр. Cu Zn незагр. Cu Zn незагр. Cu Zn незагр. Cu

почва почва почва почва

1 м

глауконит

известь

фосфорит.

мука

пар яровая ячмень овёс

пшеница Рисунок 1. Схема полевого опыта.

* Схема первого повторения полевого опыта. Дальнейшее размещение вариантов рендомизированно.

Перед закладкой опыта весной 1999 года провели общую агрохимическую характеристику опытного участка, в том числе и на содержание меди. Для этого:

отобрали смешанные образцы с каждого поля и каждой повторности из слоев 0−10; 10−20; 20−40 см.

в почвенных образцах определяли валовое содержание гумуса, подвижные формы азота, фосфора и калия, состав поглощенных оснований, рН, подвижные формы меди.

Наблюдения и учеты.

1. Отбор почвенных образцов перед посевом сельскохозяйственных культур по горизонтали в слоях 0−10; 10−20; 20−40 см по вариантам опыта.

2. Отбор растительных образцов.

3. Определение содержания меди в основной и побочной продукции.

4. Отбор почвенных образцов после уборки сельскохозяйственных культур в горизонтах 0−10; 10−20; 20−40 см по вариантам опыта.

5. Определение подвижных форм меди в почвенных образцах.

Содержание меди в почвенных и растительных образцах определялось на атомно-адсорбционном спектрофотометре.

3.2 Характеристика мелиорантов

В опыте использовали глауконит Усть-Багарякского месторождения (Челябинская область) следующего химического состава: Si₂ — 52,89; Al₂O₃ — 11,83; Fe₂O₃ — 16,74; MnO — 0,03; MgO — 4,31; СaO — 0,82; K₂O — 8,57 и Na₂O — 0,14%. Удельный вес глауконита колеблется от 2,3 до 2,9 г/см³. Цвет от светло-, темно-зеленого или почти черного. Используемый в опыте глауконит имел зеленовато-серый цвет. Емкость катионного обмена природных глауконитов колеблется в пределах 250−350 мг-экв. на кг минерала. Используемый в опыте концентрат глауконита имел емкость обмена 450−470 мг-экв. /кг. Как показали лабораторные исследования, опытный образец минерала обладал высокой адсорбционной способностью относительно меди — 781,2 ± 7,5 мг/кг навески. Степень извлечения из кислых растворов 90%, из основных — 84%.

Глауконит, используемый в опыте, характеризуется малым содержанием тяжелых металлов: Cu -5,4; Zn — 38,1; Pb -1,6; Cd — 0,78; Cr — 69,2 и Ag — 13,6 мг на кг, реакция солевой вытяжки — pH 4,8, валовое содержание азота (N) 0,13%, фосфора (P₂O₅) — 0,09% и калия (К₂О) — 1,575.

Для проведения известкования также использовали местный материал — известь, производимую в АО «Мечел» из известняков Сибайского и Тургоякского месторождений. Мелиорант имеет влажность менее 2%, содержит только следы вредных примесей и 97,1% CaCO₃. Эффективность данного мелиоранта повышается с уменьшением размера его частиц. Известь является основным материалом, используемым на всех кислых почвах под различные сельскохозяйственные культуры.

Фосфоритная мука представляет собой размолотые природные фосфаты или продукты их обогащения без какой-либо химической переработки. Это порошок серого цвета разных оттенков. Фосфор в фосфоритной муке представлен неусвояемым растениями трехкальциевым фосфатом Ca (PO₄) ₂.

Растения могут использовать фосфоритную муку только при внесении ее в кислую почву, где под влиянием почвенной кислотности фосфор постепенно переходит в растворимую и доступную для растений форму СаНРО₄*2Н₂О. Поэтому, чем меньше частицы фосфоритной муки и выше их удельная поверхность и площадь соприкосновения с почвой, тем интенсивнее будут проходить процессы перевода ее в доступное для растений состояние.

Вследствие медленного разложения фосфоритной муки в почве действие ее продолжается несколько лет. Данный мелиорант можно использовать в качестве основного удобрения на кислых почвах в двойной дозе по сравнению с суперфосфатом. Не рекомендуется применять на известкованных почвах и совместно с известью. Недостаток фосфоритной муки — ее пылящие свойства, что значительно затрудняет ее применение.

3.3 Общая характеристика почвы полевого опыта

Первое и важное требование к земельному участку и полевому опыту — типичность или репрезентативность. Земельный участок для будущего опыта должен соответствовать тем условиям, в которых предполагается применить результаты опыта: свойствам, плодородию и рельефу почв, расположенных в данном районе, или даже в других районах, близких по природным условиям.

Второе требование к почвенному участку — однородность его почвенного покрова. Для данных исследований наиболее важным является однородное фоновое (природное) содержание меди, что должно обеспечить достаточную точность опытов.

Почва экспериментального участка, где был заложен севооборот, является однородной на всех полях, что соответствует вышеизложенным требованиям.

Химический анализ полей севооборота по основным характеристикам почвы отражен в таблице 4.

Таблица 4 — Общая характеристика почвы полевого опыта

Рассматривая результаты химического анализа по горизонтам, можно отметить, что фоновое содержание меди находится в существенно ниже ПДК (3 мг/кг) незначительно увеличивается с глубиной. Содержание гумуса высокое. Солевая вытяжка почвы соответствует слабокислой реакции. Содержание Р₂О₅ (по Чирикову) повышенное, а К₂О (по Чирикову) высокое.

Данная агрохимическая характеристика почвы показывает состояние экспериментального участка на момент закладки полевого эксперимента.