Радиологические аспекты выбора системы обработки дерново-подзолистых супесчаных почв разной степени увлажнения на загрязненных 137Cs землях Могилевской области

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Радиологические аспекты выбора системы обработки дерново-подзолистых супесчаных почв разной степени увлажнения на загрязненных 137Cs землях Могилевской области

С.С. Лазаревич, А.В. Ермоленко, Т.П. Шапшеева

Аннотация

В статье приведены данные о влиянии технологических факторов на поступление 137Сs в продукцию растениеводства. Установлены основные закономерности влияния систем обработки дерново-подзолистых супесчаных почв разной степени увлажнения на переход 137Cs в растения в зависимости от степени увлажнения почвы и сельскохозяйственной культуры. На автоморфной почве выявлена тенденция увеличения перехода 137Сs в зерно и зеленую массу при применении безотвальной поверхностной системы обработки.

Annotation

The article presents data about the influence of technological factors on 137Cs getting into plant-growing produce. We have established the main principles of the influence of the system of cultivation of sward-podzolic sandy-loam soils with different degrees of humidity on transition of 137Cs into plants, depending on the degree of soil humidity and crop. In automorphic soil there is a tendency of increased transition of 137Cs into grain and green mass with application of non-moldboard surface cultivation system.

Введение

сельскохозяйственный почва загрязнение цезий

Крупномасштабное загрязнение сельскохозяйственных земель долгоживущими радионуклидами, обуславливающее ведение агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения в течение длительного периода времени, является одним из наиболее тяжелых последствий чернобыльской катастрофы.

В настоящее время для Могилевской области основными радиационно опасными поллютантами являются стронций-90 (90Sr) и цезий-137 (137Cs). Загрязнение территории области 90Sr носит локальный характер, в связи с чем проблемы сельскохозяйственного производства, связанные с этим радионуклидом, менее масштабны, чем с 137Cs. Решение проблем, связанных с загрязнением территорий 137Cs, имеют для Могилевской области особую актуальность.

По данным последнего тура агрохимического и радиологического обследования почв, сельскохозяйственное производство ведется на площади около 278 тыс. гектаров, загрязненных 137Cs с плотностью 1,0 Ки/км2 и более в 14 районах области. Особую сложность представляет ведение сельскохозяйственного производства на площади 80 тыс. гектаров с плотностью загрязнения 137Cs от 5,1 до 40,0 Ки/км2.

В отдаленный период после чернобыльской катастрофы стратегия сельскохозяйственного производства на загрязненных территориях должна представлять собой систему радиационно-экологических и организационно-экономических мер, направленных на стабильное получение самоокупаемой и конкурентоспособной продукции, отвечающей радиационно-гигиеническим нормативам. Поэтому в производстве продукции растениеводства определяющей должна стать система земледелия, адаптированная к условиям радиоактивного загрязнения, основанная на технологиях, обеспечивающих получение продукции с минимально возможным содержанием радионуклидов.

Обработка почвы является одним из ключевых звеньев технологической цепочки при производстве продукции растениеводства. В условиях радиоактивного загрязнения преимущество должна иметь система основной обработки почвы, которая при соответствии радиационно-гигиеническим и технологическим нормам могла бы обеспечивать значительное ресурсосбережение. Перспективным может быть применение безотвальных, поверхностных, минимальных и комбинированных обработок, характеризующихся более низкими энергетическими и трудовыми затратами.

В наибольшей степени ресурсосберегающим и природоохранным требованиям отвечает нулевая и минимальная система обработки почвы, предусматривающая отказ от ряда технологических операций и широкое использование прямого посева. Однако в силу экономических и технологических особенностей на современном этапе развития растениеводческой отрасли республики полная минимализация обработки почвы неприемлема.

Как показывает практика, на загрязненных радионуклидами почвах преобладают традиционные приемы ведения сельскохозяйственного производства, зачастую применяются технические средства, не учитывающие специфику этих зон. Система обработки почвы может не только оказывать влияние на миграцию радионуклидов в почвенных слоях, но и вызывать интенсивный аэральный перенос радионуклидов из-за образования за агрегатами ветро-пылевых шлейфов.

Цель исследований - изучить воздействие элементов технологического процесса и внешних факторов на переход 137Cs в продукцию растениеводства и оценить влияние систем обработки почвы на коэффициенты перехода 137Cs в зерно и зеленую массу.

Анализ источников

Изменение структуры почвенных частиц со временем в результате процессов многократного высушивания и увлажнения почвы, изменения температуры и других процессов влияет на баланс доступных для растений форм радионуклидов [3, с. 33; 4; 11]. Динамика почвенной влаги и интенсивность процессов уплотнения почвы могут оказывать определенное влияние на переход 137Cs из почвы в продукцию.

Посредством механического воздействия на почву (крошение, перемешивание, оборачивание), распределения в ней растительных остатков, органических и минеральных удобрений обработка почвы изменяет физические и химические условия роста и развития растений. Обработкой можно значительно изменять и регулировать практически все почвенные режимы - водный, воздушный, температурный, окислительно-восстановительный, микробиологический и другие, влияющие на переход радионуклидов в растения [2, с. 36-42; 8].

Многие авторы для снижения загрязнения сельскохозяйственной продукции радионуклидами на почвах, где с 1986 г. не проводилась обработка, рекомендуют захоранивать верхний загрязненный слой на возможно максимальную глубину. После захоронения верхнего загрязненного слоя почвы последующие обработки нужно проводить на меньшую глубину [17; 1; 12; 13; 16]. В дальнейшем при ведении сельскохозяйственного производства на легких песчаных и супесчаных почвах рекомендуется комбинированная, безотвальная, а при высоком уровне радиоактивного загрязнения более широкое применение минимальной и нулевой систем обработки почвы, использование высокопроизводительных комбинированных почвообрабатывающих агрегатов [7; 6].

В научной литературе данных о влиянии систем обработки почвы на переход 137Cs из почвы в растения недостаточно, а имеющиеся говорят о неоднозначности действия почвообработок на интенсивность миграции радионуклидов в сельскохозяйственные культуры.

Так, в исследованиях Т.Л. Жигаревой и др. [5, с. 68-70] содержание 137Cs в урожае овса при вспашке было в 1,2 раза, а в вегетативной массе люпина в 1,9 раз больше, чем при чизелевании. Однако минимизация глубины основной обработки почвы под зерновые культуры в большинстве случаев не изменяла концентрацию 137Cs в урожае, а отдельные колебания в накоплении 137Cs растениями по годам при разных способах обработки почвы авторами объясняются вероятным влиянием погодных условий вегетационных периодов различных лет.

В опыте на дерново-подзолистой песчаной почве вспашка характеризовалась достоверно бомльшим Кп 137Cs в зерно озимой ржи, ячменя и в клубни картофеля [14, с. 62].

В исследованиях Н.И. Ложкиной удельная активность 137Cs в зерне озимой ржи при отвальной по сравнению с минимальной обработкой почвы имела тенденцию к снижению по всем вариантам опыта, как с применением средств интенсификации, так и без них [10, с. 17].

Таким образом, можно заключить, что обработка почвы оказывает некоторое влияние на переход 137Cs в сельскохозяйственные культуры. Вместе с тем недостаток экспериментальных данных и противоречивость имеющихся на данный момент результатов не позволяют научно обосновать системы обработки почвы в севооборотах на загрязненных радионуклидами землях, что подтверждает актуальность исследований в этом направлении.

Методы исследования

Научно-исследовательская работа проводилась на опытно-экспериментальных участках, расположенных на территории землепользования СПК «Зарянский» Славгородского района Могилевской области, в 2007-2009 гг. Методика исследований включала использование комплекса методов: полевого опыта, лабораторных и аналитических исследований.

Объектами исследований являлись почва и сельскохозяйственные культуры в севообороте - в 2007 г. овес (сорт Богач), в 2008 г. бобово-злаковая смесь (пелюшка сорта Устьянская и овес сорта Стрелец) на зерно и зеленую массу, в 2009 г. - яровая пшеница (сорт Мунк).

Почвы опытных участков различались по степени увлажнения: 1) дерново-подзолистая супесчаная автоморфная на водноледниковых рыхлых супесях, подстилаемых песками с глубины 0,3 м и моренными суглинками с глубины 0,7 м; 2) дерново-подзолистая полугидроморфная глееватая супесчаная почва на водноледниковых рыхлых супесях, подстилаемых песками с глубины 0,3 м (с признаками временного избыточного увлажнения).

Плотность загрязнения пахотного слоя почвы 137Cs на опытных делянках составляла в среднем 14,5 Ки/км2 (537 кБк/м2). Содержание Р2О5 - 180-210 мг/кг почвы, К2О - 160-200 мг/кг почвы, содержание гумуса - 2,1-2,3%, рН - 5,93-6,30.

Размещение делянок полное рендомизированное. Повторность опыта четырехкратная. Общая площадь делянки 100 м2, учетная площадь - 75 м2.

Схема опыта включала варианты отвальной и безотвальной обработки почвы (табл. 1). Во всех системах обработки для закрытия влаги проводилась весенняя культивация.

Таблица 1 Варианты систем обработки почвы

Фосфорные (суперфосфат), калийные (калий хлористый) вносились перед посевом культур, азотные удобрения (мочевина) - перед посевом культур и в подкормку.

Дозы минеральных удобрений, вносимых в полевом опыте, представлены в табл. 2.

Таблица 2 Схема внесения удобрений под культуры севооборота

В основу матрицы для многофакторного дисперсионного анализа легла информация для изучения закономерностей перехода 137Cs в четыре вида продукции растениеводства на двух разновидностях почв при применении пяти вариантов минеральных удобрений на фоне четырех вариантов систем обработки почвы.

Удельная активность 137Cs в почвенных и растительных образцах определялась на гамма-спектрометре «Tennelec» и гамма-спектрометре «Canberra». Для количественной оценки поступления 137Cs из почвы в растения рассчитывался коэффициент перехода (Кп) как отношение удельной активности абсолютно сухой пробы товарной продукции (Бк/кг) к плотности радиоактивного загрязнения почвы (кБк/м2).

Полученные данные статистически обработаны с использованием стандартных приложений к Windows XP (Excel 7.0; Statistica 6.1).

1. Основная часть

В отдаленный после катастрофы на ЧАЭС период особенности ведения сельского хозяйства на загрязненных 137Cs землях состоят в соблюдении ряда требований, обеспечивающих получение сельскохозяйственной продукции, соответствующей стандартам качества, в том числе республиканским допустимым уровням содержания радионуклидов (РДУ-99). При производстве растениеводческой продукции существует необходимость принимать во внимание не только общехозяйственные преимущества применяемых агроприемов, но и их экологическую безопасность.

В настоящее время на территории загрязнения 137Cs с плотностью 5-15 Ки/км2 и ниже при условии строгого подбора участков и соблюдения требуемой технологии получение нормативно чистой продукции не является проблемой.

В условиях проведенных экспериментов удельная активность полученной продукции (показатель соответствия РДУ-99) была гораздо ниже пороговых значений. В табл. 3 приведены данные о величине средней удельной активности образцов зерна (при стандартной 14%-ной влажности) и зеленой массы (при стандартной 82%-ной влажности), выращенных в условиях полевого опыта. При этом следует отметить, что качество продукции, полученной в условиях полевого стационара, соответствует качеству продукции, получаемой в производственных условиях с аналогичными почвенно-климатическими условиями и плотностью загрязнения 137Cs.

Таблица 3 Удельная активность образцов продукции

Примечания: 1 - дерново-подзолистая супесчаная автоморфная почва;

2 - дерново-подзолистая супесчаная полугидроморфная глееватая почва.

Учитывая тот факт, что в настоящее время в силу воздействия природных процессов и предпринимаемых контрмер проблема получения продукции растениеводства, соответствующей РДУ-99 по 137Cs, успешно решается, рассматривать вопросы ее производства на загрязненных землях стоит сквозь призму дальнейшей минимизации удельной активности продукции.

Современное сельское хозяйство имеет в своем арсенале большое количество приемов и методов совершенствования технологии возделывания сельскохозяйственных культур. С учетом условий производства можно подобрать оптимальное соотношение агроприемов с тем, чтобы без потерь для урожая получить доброкачественную продукцию. На загрязненной территории дальнейшее снижение накопления культурами радионуклидов имеет немаловажное значение.

Изученные в эксперименте агротехнические факторы имеют неравнозначное влияние на интенсивность перехода 137Cs в продукцию. В табл. 4 представлены результаты многофакторного дисперсионного анализа с указанием дисперсии и доли дисперсии каждого фактора (SS и %SS) и их взаимодействия, критерия Фишера (F) и уровня значимости (p).

Таблица 4 Влияние внешних факторов на Кп 137Сs в растения

Примечание: курсивом выделены факторы с достоверным (р ? 0,05) влиянием на величину показателя Кп.

Установлено, что фактор степени увлажнения почвы имеет достоверное влияние (р=0,001) на величину Кп в продукции. На автоморфной почве среднее по обработкам и годам исследований значение Кп составило 0,0311, на полугидроморфной глееватой - 0,0373. Доля участия этого фактора в изменчивости показателя Кп, представленная как доля его дисперсии в общей дисперсии, составила 1,1%.

Наибольшего снижения величины перехода 137Cs в продукцию можно добиться при правильном подборе культуры. Биологические особенности культур имеют очень большое влияние на интенсивность накопления 137Cs в продукции. В зависимости от типа почвы и ее обеспеченности элементами питания (особенно обменного калия) различия между зерновыми и зернобобовыми культурами по величине Кп в зерно могут достигать 10 и более раз [15, с. 46-50]. В наших исследованиях разница между средними значениями по вариантам удобрений и вариантам обработки почвы Кп в зерно бобово-злаковой смеси и яровой пшеницы на автоморфной почве составила 3,1 раза, на полугидроморфной глееватой почве - 3,4 раза. В проведенном эксперименте особенности культуры в максимальной степени определяли показатель Кп. Величина дисперсии этого фактора по отношению к общей дисперсии составила 71,1%.

При анализе влияния доз минеральных удобрений и соотношения в них элементов питания NPK на переход 137Cs в продукцию было установлено, что вклад этого фактора в общую дисперсию показателя Кп невелик и составляет менее 1%. Это было обусловлено тем, что при имеющейся обеспеченности элементами минерального питания разница в 30 кг д.в. между вариантами по азоту не вызывала однонаправленного изменения величины Кп. Статистически достоверного влияния доз удобрений на переход 137Cs в растения выявлено не было. Уровень значимости влияния этого фактора был больше 0,05, причем достоверного влияния доз удобрений не было отмечено и при совместном действии этого фактора с другими факторами.

Вместе с тем выявленное в опыте отсутствие влияния доз минеральных удобрений на переход 137Cs в продукцию нельзя экстраполировать на производство продукции растениеводства в целом по региону, так как в данном случае речь идет о возделывании культур на отдельных типах почв, характеризующихся повышенным содержанием фосфора и калия, а также сильным закреплением 137Cs. Предыдущими исследованиями было установлено, что содержание в почве опытных участков доступных для растений форм 137Cs не превышает 9-11% [18; 9].

Система обработки почвы в условиях проведенного эксперимента как отдельный самостоятельный фактор, также не оказывала достоверного воздействия на Кп. Однако влияние системы обработки почвы на переход 137Cs в продукцию был очевиден при взаимодействии этого фактора с фактором «степень увлажнения» (пункт №7), а также при взаимодействии с факторами «степень увлажнения» и «культура» (пункт 14). Величина показателя %SS в этих случаях составляла соответственно 2,5% и 1,9% при р < 0,05.

Таким образом, наряду и совместно с другими факторами система обработки почвы может быть принята как один из возможных вариантов снижения содержания 137Cs в продукции растениеводства.

При анализе накопленной информации о переходе 137Сs из почвы в продукцию были отмечены определенные тенденции. Для сравнения перехода 137Сs в разные виды продукции использовались средние по всем дозам удобрений значения Кп в абсолютно сухое вещество продукции. Это дало возможность сопоставить переход 137Сs в зеленую массу и в зерно при использовании разных систем обработки почвы.

В опыте на автоморфной почве во всех видах продукции во все годы исследований наибольший Кп отмечался в варианте с мелкой дисковой обработкой (рис. 1), кроме варианта со вспашкой в 2008 г. при возделывании пелюшко-овсяной смеси на зеленую массу.

Это дает основание предполагать, что при такой системе обработки почвы в пахотном слое складываются условия, специфичность которых позволяет 137Сs более интенсивно усваиваться растениями. Возможно, это связано с влагообеспеченностью растений, т.к. именно в варианте с мелкой дисковой обработкой отмечалось минимальное в среднем за три года количество продуктивной влаги. Кроме того, в варианте с мелкой дисковой обработкой в среднем за три года наблюдалась наименьшая пористость почвы.

Проведение мелкой дисковой обработки в условиях автоморфной почвы привело к увеличению перехода 137Сs в продукцию. При этом удельная активность продукции, получаемой с применением разных доз минеральных удобрений, во всех вариантах систем обработки почвы была низкой. Это подтверждает необходимость комбинирования технологических элементов в системе обработки почвы на территории радиоактивного загрязнения и доказывает возможность выбора наиболее рациональных приемов и способов почвообработки без риска ухудшения качества продукции.

Накопление 137Сs продукцией на участке с полугидроморфной глееватой почвой носило более равномерный характер по вариантам обработки почвы. В ряде случаев некоторое повышение величины Кп отмечалось в варианте с проведением безотвальной чизельной и минимальной обработок, однако явный пик величины, как в опыте на автоморфной почве, в представленном графике выделить сложно.

Заключение

Проведенный анализ дал возможность оценить влияние регулируемых факторов на интенсивность накопления 137Сs производимой продукцией растениеводства. Было установлено, что среди изученных факторов в наибольшей степени величину Кп в зерно и зеленую массу детерминируют биологические особенности культуры. Выбор культуры является определяющим фактором, от которого зависит количество 137Сs, выносимого продукцией из почвы. Степень увлажнения почвы при прочих равных почвенных характеристиках оказывает гораздо меньшее влияние на переход 137Сs в зерно и зеленую массу.

Рис. 1 Коэффициенты перехода 137Сs из почвы в продукцию в 2007-2009 гг.

Влияние элементов технологии возделывания культур на накопление продукцией 137Сs проявляется в меньшей мере, чем выбор почвы и культуры. Было установлено, что в отдаленный после аварии период при достаточном уровне обеспечения почвы элементами минерального питания и высокой степени закрепления 137Сs в почве роль минеральных удобрений в регулировании поступления этого радионуклида в продукцию невелика. Дозы удобрений как регулирующий фактор можно рассматривать только на слабо обеспеченных элементами минерального питания, особенно калием, почвах при наличии большого количества доступных форм 137Сs.

Система обработки почвы на загрязненных землях оказывает достоверное влияние на поступление 137Сs в растения только при комбинировании этого фактора с выбором почвы и культуры. Действие системы обработки почвы усиливается на автоморфной почве по сравнению с временно избыточно увлажненной глееватой.

Результаты исследований на автоморфной почве указывают на тенденцию увеличения перехода 137Сs в зерно и зеленую массу при применении мелкой дисковой обработки. По сравнению с другими культурами Кп возрастает при возделывании овса. Незначительное снижение Кп отмечено в варианте с применением безотвальной чизельной обработки.

На полугидроморфной глееватой почве некоторое снижение перехода 137Сs в продукцию характерно для отвальной обработки - вспашки.

Литература

1. Агеец, В.Ю. Система радиоэкологических контрмер в агросфере Беларуси / В.Ю. Агеец. Минск: РНИУП «Институт радиологии», 2001. 250 с.

2. Белов, Г.Д. Влияние орошения и различных способов основной обработки на плодородие почвы и урожайность овса в Белоруссии / Г.Д. Белов, Н.Г. Сидорович, В.Т. Головарев [и др.] // Минимализация обработки почвы / Г.Д. Белов, Н.Г. Сидорович. М.: Колос, 1984. С. 36-42.

3. Винокуров, М.А. Емкость обмена минерального и органического комплекса / М.А. Винокуров // Почвоведение. 1941. №5. С. 33.

4. Возбуцкая, А.Е. Химия почвы / А.Е. Возбуцкая. М.: Высшая школа, 1964. 378 с.

5. Жигарева, Т.Л. Влияние технологических приемов возделывания сельскохозяйственных культур на накопление 137Сs в урожае / Т. Л. Жигарева [и др.] // Агрохимия. 2003. №10. С. 67-74.

6. Заленский, В.А. Обработка почвы и плодородие / В.А. Заленский, Я.У. Яроцкий. Минск: Беларусь, 2003. 540 с.

7. Земледелие: учебник для студентов агрономических специальностей учреждений обеспечивающих получение высшего с.-х. образования / В.В. Ермоленков [и др.]; под ред. В.В. Ермоленкова, В.Н. Прокоповича. Минск: ИВЦ Минфина, 2006. 463 с.

8. Иванов, Н.Н. Обработка почвы и применение удобрений / Н.Н. Иванов, В.П. Байко, А.Ф. Витер. М.: Россельхозиздат, 1971. 126 с.

9. Лазаревич, С.С. Радиоэкологические последствия чернобыльской катастрофы в Могилевской области и перспективы устойчивого развития сельскохозяйственного производства в условиях радиоактивного загрязнения / С.С. Лазаревич, Т.П. Шапшеева, Т.Н. Агеева // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: материалы VI Всероссийской науч.-практ. конф. с междунар. участием, Киров, 25-27 ноября 2008 г.: в 2 ч. / Ин-т биол. Коми науч. центра Уральского отд. Российской акад. наук. Киров, 2008. Ч. 2. С. 83-86.

10. Ложкина, Н.И. Эколого-биологические особенности агрофитоценозов озимой ржи в зависимости от применения средств интенсификации в южной лесостепи омской области: автореф. дис. …канд. биол. наук 03.00.16. / Н.И Ложкина; ОмГПУ. Омск. 2006. 19 с.

11. Павлоцкая, Ф.И. Миграция радиоактивных продуктов глобальных выпадений в почвах / Ф.И. Павлоцкая. М.: Атомиздат, 1974. 215 с.

12. Пристер, Б.С. Основы сельскохозяйственной радиологии / Б.С. Пристер, Н.А. Лощилов, О.Ф. Немец, В.А. Поярков; 2-е изд., переработ. и доп. К.: Урожай, 1991. 472 с.

13. Пшиходский, Г.М. Технологические основы мелиорации ландшафтов, загрязненных радиоактивными веществами / Г.М. Пшиходский. Горки: Курсы по повышению квалификации и переподготовке кадров Могилевского облсельхозпрода, 2000. 308 с.

14. Ратников, А.Н. К проблеме ведения растениеводства на радиоактивно загрязненных территориях / А.Н. Ратников, А.С. Филипас, Т.Л. Жигарева, Л.Н. Ульяненко, Г.И. Попова // Радиация и риск. 1997. Вып. 9. С. 61-65.

15. Рекомендации по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь / И.М. Богдевич [и др.]; под ред. И.М. Богдевича. Минск: РНИУП ИР, 2008. 72 с.

16. Руководство по применению контрмер в сельском хозяйстве в случае аварийного выброса в окружающую среду / МАГАТЭ. Вена: МАГАТЭ, 1994. 64 с.

17. Сельскохозяйственная радиология / Р.М. Алексахин, А.В. Васильев, В.Г. Дикарев [и др.]; под ред. Р.М. Алексахина, Н.А. Корнеева. М.: Экология, 1992. 400 с.

18. Цыбулько, Н.Н. Содержание форм 137Cs в дерново-подзолистой супесчаной почве разной степени гидроморфности / Н.Н. Цыбулько, С.С. Лазаревич, А.В. Ермоленко // Медико-биологические проблемы жизнедеятельности. 2009. №1. С. 63-66.

Размещено на Allbest.ru