Влияние различных видов вермикомпоста на поведение цезия-137 и тяжелых металлов в системе почва-растение тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат сельскохозяйственных наук Ткаченко, Ольга Анатольевна

• Ткаченко, Ольга Анатольевна
• кандидат сельскохозяйственных наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат сельскохозяйственных наук Ткаченко, Ольга Анатольевна, 2004 год

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