Актуальність теми. Практично у всіх країнах з розвинутою промисловістю, у тому числі в Україні і, зокрема, в Придніпровському регіоні, в останні десятиріччя спостерігається локальне нагромадження рухомих форм важких металів (ВМ) у ґрунті основному біологічному адсорбенті і нейтралізаторі забруднення навколишнього середовища, здатному зберігати токсичні речовини антропогенного походження протягом тривалого часу. Крім того, саме з ґрунту, акумулюючись у сільськогосподарських культурах, ВМ трофічними ланцюгами надходять до організмів тварин і людини, викликаючи в них різні захворювання. Ведення землеробства на забруднених ВМ ґрунтах стає одним з актуальних практичних завдань для агроекологів, адже вже зараз агрохімічним моніторингом у Дніпропетровській області виявлено близько 30 % забруднених ВМ орних земель. Вони потребують спеціальних заходів з детоксикації ґрунту, які б могли запобігти надлишковому надходженню ВМ у рослинницьку продукцію. У зв'язку з цим необхідні дослідження токсичного впливу ВМ на природну систему ґрунт рослина і розробка заходів з детоксикації ґрунту, серед яких найбільш доступними, економічно вигідними й екологічно безпечними є біологічні, а саме фітостабілізація, особливо в сполученні з хімічним зв'язуванням токсикантів за рахунок меліорантів. Розробка і впровадження подібних заходів, спрямованих на залучення в сільськогосподарське виробництво забруднених ВМ земель, дадуть змогу отримувати високоякісну сільськогосподарську продукцію, яка відповідає санітарно-гігієнічним і екологічним нормам, що в умовах всезростаючого техногенного пресингу на навколишнє середовище має велике практичне значення для народного господарства України. агрохімічний чорнозем детоксикація фітостабілізація

Ці проблеми свідчать про актуальність вибраної теми і основних напрямків досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі екології та охорони навколишнього середовища Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (ПДАБА), а також у лабораторії родючості ґрунтів на Ерастівській дослідній станції Інституту зернового господарства Української аграрної академії наук (ЕДС ІЗГ УААН) і є складовою частиною досліджень ЕДС ІЗГ УААН по виконанню Державної науково-технічної програми "Родючість та охорона ґрунту" (номер держрегістрації 0197U00098).

Мета і задачі дослідження. Головна мета досліджень полягає в розробці принципово нового екологічно безпечного комплексного підходу до детоксикації техногенно забруднених ВМ чорноземів звичайних малогумусних важкосуглинкових північного Степу України шляхом поєднання вирощування толерантних до токсичної дії ВМ сільськогосподарських культур-фітостабілізаторів із внесенням у ґрунт найбільш ефективних меліорантів.

Для досягнення мети вирішувались такі задачі:

вивчення впливу Cd, Pb і Zn на агрохімічні та еколого-біологічні показники родючості чорнозему звичайного;

вивчення реакції-відгуку (максимально можлива врожайність при високих показниках якості зерна та вмісті ВМ у межах значень ГДК) і визначення ступеня стійкості до забруднення ряду сільськогосподарських культур, з виявленням у межах однієї культури найбільш чутливих і толерантних сортів;

вивчення токсичної дії ВМ на біохімічні показники якості зерна;

вивчення ефективності застосування в якості меліорантів органо-мінеральних добрив (ОМД), крейди, біогумусу, K₂S і K₂CO₃ на забрудненому ВМ чорноземі звичайному в агроценозі проса сорту Миронівське 51.

Об'єкт дослідження екотоксикологічні особливості забруднення чорноземів звичайних ВМ в агроценозах зернобобових, ярових і озимих зернових культур під впливом антропогенного фактора.

Предмет дослідження розробка комплексних заходів щодо біологічної детоксикації забруднених ВМ чорноземів звичайних малогумусних важкосуглинкових північного Степу України шляхом поєднання фітостабілізації і внесення меліорантів.

Методи досліджень. У процесі виконання дисертаційної роботи використані загальнонаукові та спеціальні методи. Серед загальнонаукових методів дослідження використовували: 1) діалектичний метод при спостереженнях за динамікою росту і розвитку ознак токсикозу в польових дослідах, 2) метод аналізу при детальному вивченні об'єкта досліджень, 3) метод синтезу при формулюванні висновків, узагальнень, рекомендацій до виробництва, 4) метод індукції та дедукції при виділенні толерантних до токсичної дії ВМ сільськогосподарських культур та їх сортів, визначенні найбільш ефективного поєднання меліоранта з сільськогосподарською культурою фітостабілізатором для подальшого впровадження у виробництво, 5) метод абстрагування при теоретичному узагальненні досліджень, виділенні найбільш істотних зв'язків у досліджуваному об'єкті, одержанні рівнянь.

Спеціальні методи досліджень детально описані в розділі ІІ "Умови та методика проведення досліджень".

Наукова новизна отриманих результатів. Встановлено зниження вмісту рухомих форм фосфору в ґрунті і ступеня рухомості фосфатів у ґрунтовому розчині, збільшення вмісту амонійного і нітратного азоту, підкислення ґрунтового розчину, зміну структури мікробного угруповання ґрунту, яка виражалась у зменшенні чисельності та видового розмаїття з перевагою резистентних до токсичної дії ВМ видів мікроорганізмів і зниженні ферментативної активності ґрунту при внесенні Cd, Pb і Zn у дозі 5 ГДК. По реакції-відгуку рослин на токсичну дію Cd, Pb і Zn (максимально можлива врожайність зерна з високими біохімічними показниками якості і вмістом ВМ у межах ГДК) отримано ряд толерантності сільськогосподарських культур і сортів у межах однієї культури в озимої пшениці, озимого жита, ярого ячменю та гороху. Встановлена токсична дія ВМ на біохімічні показники якості зерна: збільшення вмісту нітратів, білка, фосфору і калію. Експериментально доведена можливість використання поряд із традиційними меліорантами (крейда, біогумус, ОМД) карбонату і сульфіду калію на чорноземах звичайних малогумусних важкосуглинкових. Розроблено комплексний підхід щодо детоксикації техногенно забруднених ВМ ґрунтів шляхом поєднання фітостабілізації з хімічним зв'язуванням рухомих форм ВМ за рахунок меліорантів. Рекомендовано до впровадження найбільш ефективне, технологічне та екологічно безпечне сполучення фітостабілізатора з меліорантом, а саме: висівання проса сорту Миронівське 51 і внесення карбонату калію.

Практичне значення одержаних результатів. Експериментальний матеріал дисертації є основою для розробки принципово нового екологічно обґрунтованого комплексного підходу до вирішення проблеми детоксикації техногенно забруднених ВМ ґрунтів і подальшого впровадження на зональних ґрунтах північної підзони Степу України чорноземах звичайних шляхом поєднання фітостабілізації вирощування толерантної до токсичної дії ВМ культури з хімічною детоксикацією ґрунту за рахунок внесення як меліорантів карбонату і сульфіду калію, що дасть змогу одержувати якісну рослинницьку продукцію, яка відповідає санітарно-гігієнічним нормам.

Наукові розробки впроваджені у виробництво на площі 10,0 га у фермерському господарстві "Мирошниченко" пмт Добровеличківка Кіровоградської області (2004 р) та на площі 4,5 га у фермерському господарстві "Дрозд і Ж" с. Кринички Верхньодніпровського району і 6 га в ПП “Копайгородський” c. Биково Криничанського району Дніпропетровської області (2005 р).

Особистий внесок здобувача полягає в участі у проведенні польових і мікропольових дослідів, самостійному плануванні і виконанні протягом чотирьох років (20012004) науково-дослідних робіт, передбачених затвердженою програмою, аналізі спеціальної літератури й інтерпретації отриманого експериментального матеріалу, а також в узагальненні результатів досліджень, аналізі та теоретичному обґрунтуванні отриманої наукової інформації, щорічному складанні звітів, підготовці до друку наукових праць, розробці рекомендацій та перевірці їх ефективності в умовах виробництва, підготовці та захисті дисертаційної роботи. Публікації підготовлені безпосередньо дисертантом і в співавторстві. Права співавторів не порушено.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були представлені й обговорені на: І, ІІ, ІІІ й ІV Міжнародних симпозіумах "Безпека життєдіяльності в XXІ столітті" (м. Дніпропетровськ, 2001, 2002, 2004, м. Хургада, Єгипет, 2003), VІ з'їзді Українського товариства ґрунтознавців і агрохіміків (м. Умань, 2002), Міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки" (м. Дніпропетровськ 2001, 2003), ІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Дощові черви та родючість ґрунтів" (м. Володимир, РФ, 2004), Міжнародній науково-практичній конференції "Фосфор і калій у землеробстві. Проблеми мікробіологічної мобілізації" (м. Чернігів, 2004), ІІІ Міжнародній медичній конференції студентів і молодих учених "Медицина - здоров'я - XXІ сторіччя" (м. Дніпропетровськ, 2002), Всеукраїнській науково-практичній конференції "Бізнес і екологія" (м. Донецьк, 2001), ІІІ, ІV і V Всеукраїнських науково-практичних конференціях студентів, аспірантів і молодих учених "Екологія. Людина. Суспільство" (м. Київ, 2000, 2001, 2002), ІІ науково-практичній конференції "Техногенно-екологічна безпека регіонів як умова сталого розвитку України" (м. Львів, 2002) та інш.

Публікація результатів досліджень. За темою дисертаційної роботи опубліковано 34 наукові праці у спеціальних виданнях, зареєстрованих ВАК України 7, у наукових журналах 5, збірниках наукових праць 5, матеріалах і тезах конференцій 16, 1 патенті, одноосібні 3, у співавторстві 31.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури, короткої характеристики грунтово-кліматичних умов місця проведення польових дослідів, методів досліджень, експериментальної частини, що містить у своєму складі два розділи, висновків, рекомендацій виробництву, списку використаних літературних джерел, додатків. Робота викладена на 170 сторінках тексту комп'ютерного набору, ілюстрована 14 рисунками, включає 48 таблиць, у тому числі 24 в додатках. Список використаних джерел нараховує 226 найменувань, серед яких 24 іноземних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

У розділі подано стислий аналітичний огляд вітчизняних і зарубіжних праць з актуальних питань забруднення ґрунту ВМ, їх токсичної дії на рослини та мікро-організми, методів детоксикації та необхідності впровадження в агроекологічну практику комплексного підходу щодо детоксикації забрудненого ВМ ґрунту шляхом поєднання фітостабілізації з внесенням меліорантів.

УМОВИ ТА МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

Характеристика грунтово-кліматичних умов місця проведення досліджень. Дослідження проводились протягом 2001-2004 рр. на ЕДС ІЗГ УААН. Ґрунт чорнозем звичайний малогумусний важкосуглинковий, який сформувався на лесі під різнотравно-типчаково-ковильною рослинною асоціацією в умовах непромивного водного режиму. Агрохімічні показники чорнозему звичайного наступні: вміст гумусу (за І.В. Тюріним) 3,54,0%, загального азоту 0,200,23%, фосфору 0,100,12%, валовий вміст калію 2,02,3%. Кількість легкогідролізованого азоту (за І.В. Тюріним і М.М. Кононовою) 10,011,4 мг на 100 г сухого ґрунту при можливості поповнення його доступних форм за рахунок нітрифікаційної здатності (за Кравковим) 2,42,8 мг на 100 г ґрунту. Вміст рухомих форм фосфору в орному шарі становить 8,89,8 мг, калію 14,315,4 мг у 100 г ґрунту (метод Ф.В. Чирикова). Валовий вміст мікроелементів наступний: Zn 38,840,4; Mn 473,0484,0; Cu 12,514,2; Co 8,08,3; Fe 835,0845,0; Pb 32,433,1; Cd 0,380,39 мг/кг ґрунту і відповідно рухомих форм, що складають невеликий відсоток від валових: рухомого Zn 0,961,20; Cu 0,130,15; Co 0,420,48; Mn 57,563,8; Fe 27,628,0; Pb 0,050,10; Cd 0,100,11 мг/кг. Реакція ґрунтового розчину близька до нейтральної (рН 6,75).

Клімат північного Степу України помірно-континентальний з відносно холодною зимою (середня температура повітря січня за 2001-2004 рр. -2,6 ⁰С) та жарким літом (середня температура повітря липня за 2001-2004 рр. +22,6 ⁰С). Погодні умови в роки проведення досліджень були сприятливими для росту і розвитку зернобобових, ярових та озимих зернових культур, за винятком 2003 року, коли холодна, безсніжна зима в поєднанні з посушливою весною призвела до вимерзання озимих зернових. Сума активних температур складає 2700-3600 ⁰С, середньорічна сума опадів 435,9 мм, а за вегетаційний період 268,2 мм. Тривалість вегетаційного періоду з температурою вище +5 ⁰С 210-215, вище +10 ⁰С 150-155, а безморозного періоду 155160 днів.

Методика проведення досліджень. Із усього різноманіття ВМ були вибрані Рb, Сd і Zn, які, за свідченнями екологів Придніпров'я, є пріоритетними небезпечними забруднювачами чорноземів звичайних.

Досліди проводились у двох напрямках: 1) визначення толерантності сільсько-господарських культур до техногенного забруднення ґрунту рухомими формами ВМ; 2) пошук шляхів детоксикації за допомогою меліорантів, внесення яких до забрудненого ґрунту в поєднанні з вирощуванням культури-фітостабілізатора забезпечить отримання екологічно чистої продукції.

Толерантність культур до токсичної дії ВМ вивчали на фонах: 1 без добрив, 4 N₉₀P₉₀K₆₀. В орному шарі ґрунту моделювали дуже небезпечний рівень забруднення (за В.Б. Ільїним, 1995) у 5 ГДК. У дослідах вивчалась реакція-відгук (максимально можлива врожайність при показниках якості зерна, що відповідають санітарно-гігієнічним і екологічним нормам) наступних сортів сільськогосподарсь-ких культур: озимої пшениці Красуня, Лада, Одеська 162, Фантазія, Альбатрос одеський; озимого ячменю Силует; озимого жита Харківське 98, Кормове 51; тритікале Амфідиплоїд 42; ярого ячменю Галактик, Джерело, Престиж, Прерія; вівса Синельниківский 73; гороху Норд, Таловець, Харківський янтарний; проса Миронівское 51.

Аерогенне забруднення ґрунту здійснювали шляхом обприскування водними розчинами нітратних солей ВМ з наступною заробкою в ґрунт під ярі та зернобобові навесні під передпосівну культивацію, а під озимі восени під основний обробіток ґрунту. Площа забрудненої ділянки складала 1 м², ширина захисних смуг 1,0 м, повторність досліду чотириразова.

У мікропольовому досліді з детоксикації техногенно забрудненого чорнозему звичайного нітратними солями ТМ за допомогою меліорантів як культуру-фітостабілізатор використовували просо сорту Миронівське 51, а як меліоранти органо-мінеральні добрива (ОМД) (1,5 ц/га), крейду (1,5 ц/га), біогумус (1,0 ц/га), K₂S та K₂CO₃ з розрахунку в 1,5 раза більше необхідної кількості для повного хімічного зв'язування катіонів ВМ²⁺ у ґрунті. Площа ділянки складала 1 м², ширина захисних смуг 1,0 м, повторність досліду чотириразова.

Зміну агрохімічних показників родючості чорнозему звичайного в умовах забруднення ВМ вивчали за методами: вміст гумусу за Тюріним; загального азоту за К'єльдалем; загального фосфору - колориметрично; загального калію - на полумневому фотометрі; амонійного азоту - за Несслером колориметрично; нітратного азоту - спектрофотометрично за методикою ЦИНАО; рухомих форм фосфору і калію - за Чириковим; ступінь рухомості фосфатів - за Карпинським і Зам'ятіною; рухомих форм ВМ - у витягу ААБ рН 4,8 на атомно-абсорбційному спектрофотометрі. Біологічну активність грунту вивчали за методами: емісія СО₂ - за Штатновим; ферментативну активність - за Галстяном; чисельність мікроскопічних грибів - на середовищі Чапека-Докса; бактерій, які засвоюють азот органічних сполук - на МПА; мінеральних сполук - КАА; кислотоутворюючих бактерій - на КІО; бактерій, які мобілізують мінеральні сполуки фосфору - на середовищі Муромцева. У рослинних зразках визначали: азот, фосфор, калій за методом Гінзбург - Щегловою - Вульфіус; ВМ на атомно-абсорбційному спектрофотометрі; білок, жир, крохмаль, клейковину з використанням ІЧ експрес-аналізатора "Інфрапід-61".

Технологія вирощування сільськогосподарських культур загальноприйнята для зони.

Математична обробка експериментальних даних здійснювалась методами дисперсійного, кореляційного та регреcійного аналізів згідно з методиками Б.А.Доспєхова (1985) та Г.Ф. Лакіна (1990) з використанням пакета Excel-97.

ВПЛИВ СОЛЕЙ Cd, Pb, Zn І ВНЕСЕННЯ МЕЛІОРАНТІВ НА АГРОХІМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ТА БІОЛОГІЧНУ АКТИВНІСТЬ ГРУНТУ

Зміна вмісту амонійного та нітратного азота. У незабрудненому ґрунті вміст амонійного азоту становив 4,975,10 мг/100 г, нітратного азоту 1,771,83 мг/100г (Фон 1) та 5,305,42 і 1,942,02 мг/100 г (Фон 4) відповідно. В забрудненому ВМ ґрунті вміст N-NH₄ і N-NO₃ збільшувався до 25,8% і 59,4%, що зумовлено витисненням катіонами ВМ²⁺ необмінно закріпленого NH₄⁺ із ГПК, кількістю супутнього ВМ аніону NO₃^-, а також порушенням трансформації сполук, що містять азот, ґрунтовою мікробіотою. Внесення меліорантів у запропонованих дозах сприяло зменшенню вмісту амонійного і нітратного азоту в ґрунті на 5,439,6% і 9,121,9% відповідно до забруднених варіантів. Зменшення амонійного азоту зумовлювалось нездатністю ВМ²⁺ витісняти необмінно закріплений N-NH₄ із ГПК, через зв'язування їх катіонів у нерозчинні і слабко розчинні карбонати і сульфіди при внесенні крейди, K₂CO₃ та K₂S, а також у складні органічні комплекси при внесенні біогумусу.

Фосфатний режим ґрунту. Техногенне забруднення ґрунту ВМ сприяло зниженню рухомого фосфору з 8,710,8 мг/100 г ґрунту на 14,015,0% і ступеня рухо-мості фосфатів з 0,06740,0793 мг/1 л на 10,616,2%, що зумовлюється утворенням нерозчинних і слабко розчинних фосфатів ВМ. При внесенні меліорантів спосте-рігалася тенденція збільшення рухомих форм фосфору на 11,416,5% і ступеня рухомості фосфатів на 11,012,9%.

Зміна вмісту рухомого калію. Чорнозем звичайний містив 14,415,3 мг рухомого калію на 100 г ґрунту. Збільшення К₂О в середньому на 5% у забрудненому ВМ ґрунті пояснюється здатністю катіонів Cd²⁺, Pb²⁺ і Zn²⁺ витісняти К⁺ з ГПК. Цей процес підсилювався внесенням фізіологічно кислих добрив (Фон 4 N₉₀P₉₀K₆₀) до 17%. Внесення меліорантів, що містять у своєму складі К⁺ (К₂S, K₂CO₃), сприяло збільшенню вмісту рухомого калію на 0,51,6%, біогумуса, ОМД навпаки, його закріпленню в необмінні форми.

Зміна рН ґрунтового розчину. Забруднення грунту ВМ призводить до зменшення рН ґрунтового розчину з 6,75 до 6,256,43, а внесення меліорантів підвищенню цього показника до 6,326,98.

Вміст рухомих форм ВМ. Чорнозем звичайний характеризувався підвищеною буферністю до ВМ за В.Б.Ільїним. Вміст рухомих форм ВМ у забрудненому ґрунті визначався природною буферною здатністю і виносом рослинами, який залежав від ступеня толерантності сільськогосподарських культур до токсичної дії ВМ (табл. 1).

Таблиця 1

Вміст рухомих форм ВМ у ґрунті неудобреного і удобреного фонів (шар 0-30 см) (середнє за 2001-2004 рр.), мг/кг

Внесення мінеральних добрив (N₉₀P₉₀K₆₀), з одного боку, за рахунок підкислюючої дії сприяло збільшенню рухомості ВМ, а з іншого відзначався прямо протилежний процес закріплення ВМ у недоступні для споживання кореневою системою рослин фосфати.

Внесені меліоранти зв'язували рухомі форми ВМ і тим самим перешкоджали їх поглинанню кореневою системою рослин. Серед досліджуємих меліорантів найбільш ефективними були K₂CO₃ і K₂S, які знижували вміст рухомого Pb²⁺ у ґрунті в середньому на 58%, Cd²⁺ 64%, а Zn²⁺ 61%.

Біологічна активність ґрунту. Техногенне забруднення ґрунту ВМ пригнічувало інтенсивність виділення СО₂: Cd на 37%, Pb 21%, Zn 14%.

Наслідком забруднення ВМ була зміна чисельності ґрунтових мікроорганізмів (табл. 2), а саме: зростала частка мікроскопічних грибів на фоні пригнічення чисельності кислотоутворюючих, фосформобілізуючих бактерій, а також бактерій, які засвоюють азот мінеральних сполук. Відбувалося звуження видової розманітності асоціацій ґрунтових мікроорганізмів і особливо грибів, розвивалися толерантні до токсичної дії ВМ види. Навпаки, чисельність бактерій, які засвоюють азот органічних сполук, утім, як і обростання грудочок ґрунту Azotobacter, збільшувалася. Зниження чисельності бактерій, що засвоюють азот мінеральних сполук, при високих значеннях бактерій, які трансформують азот органічних сполук, призводило до зменшення коефіцієнта мінералізації органічної речовини.

Таблиця 2