Фитомелиорация и фиторемедиация почв сельскохозяйственного назначения с различной степенью окультуренности и экологической нагрузки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ДИССЕРТАЦИОННЫЙ СОВЕТ Д 220.005.01 в ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

В Высшую аттестационную комиссию Министерства образования и науки Российской Федерации

127994 г. Москва, ул. Садовая-Сухаревская, 16. К-51, ГСП-4

Диссертационный совет Д 220.005.01 в Брянской государственной сельскохозяйственной академии: 243365, Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино (241-24-721) объявляет, что ПОСТНИКОВ Дмитрий Андреевич представил диссертацию на соискание ученой степени доктора наук «Фитомелиорация и фиторемедиация почв сельскохозяйственного назначения с различной степенью окультуренности и экологической нагрузки» по специальности 03.00.16 - экология (сельскохозяйственные науки).

Защита диссертации планируется 25 декабря 2009 года.

Председатель диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н. М. Белоус

В ВЫСШУЮ АТТЕСТАЦИОННУЮ КОМИССИЮ МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ (О размещении объявления и автореферата)

Сведения о предстоящей защите докторской диссертации

Постников Дмитрий Андреевич

«Фитомелиорация и фиторемедиация почв сельскохозяйственного назначения с различной степенью окультуренности и экологической нагрузки»

03.00.16

сельскохозяйственные науки

Д 220.005.01

Брянская государственная сельскохозяйственная академия

243365, Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино,

ул. Советская, 2-а

E-mail: cit@bgsha.com

Предполагаемая дата защиты диссертации - 25 декабря 2009 г.

Исп. Дронов А.В. (483-41)24-721

Российский государственный агарный университет - Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Фитомелиорация и фиторемедиация почв сельскохозяйственного назначения с различной степенью окультуренности и экологической нагрузки

Специальность 03.00.16 - экология

Постников Дмитрий Андреевич

Брянск - 2009

Работа выполнена на кафедре экологии и БЖД факультета почвоведения агрохимии и экологии Российского государственного агарного университета - Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук И.Е. Автухович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Андросов Г.К.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Мёрзлая Г.Е.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Нечаев Л.А.

Ведущая организация - Рязанский агротехнологический университет имени П.А. Костычева

Защита состоится «25» декабря 2009 года в 10 час. 00 мин. в аудитории 216 на заседании Диссертационного совета Д.220.005.01 при Брянской государственной сельскохозяйственной академии по адресу при ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 243365, Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино, Брянская ГСХА (главный корпус, 2 этаж, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянской государственной сельскохозяйственной академии.

Просим Вас принять участие в работе совета или прислать письменный отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) по указанному адресу.

Автореферат разослан 2009 года и размещен на официальном сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.В. Дронов.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современное сельское хозяйство России в настоящее время находится в ситуации когда необходимо с одной стороны решать проблемы по восстановлению почвенного плодородия, связанное с резким сокращением полей занятых кормовыми травами, cидеральными культурами, уменьшения объемов применения органических удобрений, нарушением систем севооборотов (по России сегодня не обрабатывается около 40 млн. га бывших сельскохозяйственных угодий, почти ѕ стада КРС исчезло по различным причинам).

Уменьшение поголовья крупного рогатого скота стало причиной сокращения потребности в кормах с одной стороны, но как следствие уменьшение численности стада КРС явилось главным фактором, определяющим производство и применение органики с целью восстановления и повышения почвенного плодородия, которое в настоящее время имеет тенденцию к существенному снижению (Лыков А.М, Коротков А.А.,. Баздырев Г. И. 1999; Рожков В.А., Васенев И.И. 2003; Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. 2000).

Что бы поддержать или восстановить почвы сельскохозяйственного назначения по фактору плодородия необходимо в первую очередь разрабатывать агроприемы с использованием сидеральных культур (Малявко А.А. Прилепов В.В., Ториков В.Е., Дедков В.Д.2005). Ряд авторов (Лошаков В.Г., Эллмер ф., Иванов Ю.Д. и др. 1998, Котлярова О.Г. 2000), приводя результаты экспериментов по изучению биологии сидеральных культур и их последействия на продуктивность и экологическое состояние севооборотов интенсивных агросистем подчеркивают, что биологизация современных севооборотов на практике - это широкое использование специальных сидеральных культур в Российском.

В тоже время почвы сельскохозяйственного назначения в ряде регионов Российской Федерации нуждаются не просто в восстановлении плодородия, а в улучшении их агрохимических показателей и биологических характеристик. Это связано с тем, что постоянно ухудшающаяся экологическая обстановка особенно вокруг крупных промышленных центров (МОСКВА, САНКТ - ПЕТЕРБУРГ, ЧЕЛЯБИНСК, ЕКАТЕРИНБУРГ и др.) и нерешенные проблеммы с последствиями Чернобыльской аварии привели к сильному загрязнению почв сельскохозяйственного назначения тяжелыми металлами и другими токсикантами из которых сегодня наиболее опасными являются: кадмий, стронций, медь, ртуть, цезий (Белоус Н.М. 2005; Белоус Н.М., Шаповалов В.Ф., Моисеенко М.Г., Драганская М.Г. 2005; Овчаренко М.М. 1997).

На современном этапе развития агросферы необходимо вести поиск и новых культур, обладающих одновременно фитомелиоративными и фиторемедиационными свойствами, поскольку восстановление плодородия часто связано с предшествуюшим фитомелиорации этапом по очищению пахотного слоя почвы от различных загрязнителей в частности тяжелых металлов.

Необходимо шире раскрывать экологические возможности травянистых растений в соответствии с задачами, стоящими перед сельскохозяйственной экологией (Андросов Г.К., Поцепай Ю.Г. 2005).

Потенциальные возможности новых и традиционных растений для определенных географических зон еще только предстоит раскрыть в свете проблем фитомелиорации и фиторемедиации.

Цель и задачи исследований: изучение и экологическое обоснование использования перспективных растений в фитомелиорации и фиторемедиации почв сельскохозяйственного назначения.

В ходе выполнения эксперимента решались следующие задачи по изучению и определению:

- основных показателей почвенного плодородия в почве опытных участков сельскохозяйственного назначения;

- особенностей роста и развития горчицы белой, сафлора и пиона молочноцветкового при возделывании в качестве фитомелиорующей и фиторемедиационной культуры;

- корневых выделений горчицы белой в условиях искусственно созданного стресса (фосфорное голодание) и их подкисляющее действие;

- влияния выращивания фитомелиорантов в последействии на показатели почвенного плодородия и микробиологическую активность в вегетационных и полевых опытах;

- содержания биофильных элементов, в стеблевой и корневой части опытных растений;

- содержания тяжелых металлов в пахотном слое опытных участков при различном уровне внесения осадков сточных вод (ОСВ) до и после фиторемедиации;

- коэффициента биологического накопления, суммарного выноса тяжелых металлов фиторемедиационными культурами надземной и корневой частью;

- характера распределения тяжелых металлов в растительной массе у опытных растений;

- экологических аспектов технологии фитомелиорации и фиторемедиации;

- экологические ограничения при выращивании семенного картофеля в условиях повышенного содержания в почве тяжелых металлов.

Защищаемые положения:

- экологические особенности роста и развития традиционных и новых растений в условиях Нечерноземной зоны;

- физиологические особенности горчицы белой (Sinapis alba. L) в условиях искусственно созданного стресса (фосфорное голодание) при обосновании роли корневых выделений фитомелиорантов;

- влияние выращенных фитомелиорантов в последействии на показатели почвенного плодородия и микробиологическую активность почвы вегетационных и полевых опытов;

- изучение влияния фиторемедиации на динамику изменения содержания тяжелых металлов в пахотном слое опытных участков при различном уровне внесения осадков сточных вод (ОСВ);

- научное обоснование в выборе специальных универсальных культур для фитомелиорации и фиторемедиации почв сельскохозяйственного назначения;

- возможности использования ОСВ в сельскохозяйственном производстве

Научная новизна

Впервые опробована специальная методика по проведению тест-реакции на органические кислоты, выделяемые белой горчицей.

Определены выделяемые органические кислоты горчицей белой в условиях стресса, показана активность выделяемых кислот в зоне корневого чехлика при долговременной экспозиции опытных растений в деионизированной воде.

Установлено, что существенное подкисление деионизированной воды происходит только у молодых растений горчицы белой, в фазе 2 - 4 настоящих листьев, особенно при создании стрессовых условий. Среди выделяемых органических кислот горчицей белой были идентифицированы раннее не определяемые кислоты - муравьиная, изомаслянная и валериановая.

Впервые исследован вопрос о мелиоративных возможностях сафлора в условиях Нечерноземной зоны.

Изучены и определены фитомелиоративные и фиторемедиационные свойства сафлора, которые подтверждены патентом РФ (Постников Д.А. Способ очистки почв от тяжелых металлов. Патент RU № 2365078 C1,опубликовано: 27.08.2009 Бюл. № 24), а также горчицы белой, и пиона молочноцветкового.

Впервые установлены аккумулирующие свойства сафлора при выращивании в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Исследованы вопросы рециклинга осадка сточных вод при получении семенного картофеля, как альтернативного приема фиторемедиации при использовании регуляторов роста для управления продукционным процессом в формировании нового урожая.

Практическая значимость.

Проведенные исследования (университет Хоенхайм - Германия, Институт Физиологии Растений РАН имени К.А. Тимирязева, ДАОС, г. Долгопрудный, МО ВИР - п. Михнево и полученные результаты убедительно доказывают, что наряду с горчицей белой для фитомелиорации можно с успехом использовать сафлор, запашка зеленой массы которого в последействии оказывает положительное влияние на плодородные свойства почвы. Установлено, что сафлор, как и горчица белая может быть использован в качестве культуры - фитомелиоранта для восстановления почвенного плодородия, содержание фосфора в пахотном слое почвы возрастает на 6% при запашке горчицы белой и на 9% с сафлором, а содержание обменного калия увеличивается на 5 и 2% соответственно,

Установлено, что в условиях Нечерноземной зоны сидерация при использовании сафлора позволяет увеличить микробиологическую активность почвы по шкале Д.Г. Звягинцева до оценки - “сильная”.

По результатам полевых экспериментов по проблеме фиторемедиации загрязненных почв установлено, что сафлор является активным гипераккумулянтом, использование в чередовании с горчицей белой в течение 4 лет эффективно для полного цикла технологии фиторемедиации загрязненных почв. экологический фитомелиорация плодородие

Установлено, что пион молочноцветковый за 3 года снижает загрязненность корнеобитаемого слоя почвы тяжелыми металлами в условиях техногенного загрязнения в том числе по цинку и кадмию - на 23 и 21 %, а по меди и свинцу на 17 и 9 % соответственно (опыты в ГБС РАН).

Показано, что на почвах с высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами, как альтернативного приема фиторемедиации возможно возделывание семенного картофеля (полевые опыты - ВНИПТИОУ - Владимирская обл., п. Судогда).

Апробация результатов исследования. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях факультета почвоведения агрохимии и экологии, во время научных стажировок в Германии (1997, 1998, 1999, 2008), в Польше (2007), на международной конференции ЭКОСТОК - 2006 (г. Москва), на международной конференции: - V съезд общества физиологов растений России (Пенза, 2003) и симпозиуме - “Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования” (Пущино, 2003), а также на производственных конференциях г. Щелково (2004 - 2005 и г. Истра (2007 - 2009).

Личный вклад автора. Личное участие автора заключается в разработке научной гипотезы и алгоритма исследований. В течение 10 лет проведены при его непосредственном участии полевые и лабораторные модельные опыты в почвенной и водной культуре, лабораторные анализы. Проведенные эксперименты показали высокую значимость полученных результатов и убедительно доказали практическое значение новых и нетрадиционных культур при решении проблем фитомелиорации и фиторемедиации почв сельскохозяйственного назначения.

Публикации результатов исследований. Результаты диссертационной работы отражены в 31 печатных работах в научных, научно-производственных, научно-методических журналах и сборниках в том числе 9 в периодических научных изданиях перечня ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, девяти глав, выводов и предложений производству, списка литературы, включающего 295 источников, в том числе 108 зарубежных авторов. Диссертация изложена на 261 странице машинописного текста, включает 60 таблиц, 17 рисунков, схем, диаграмм и отдельных приложений.

Благодарности: профессорам РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева Кондратьеву М.Н., Лошакову В.Г., научному консультанту - докт., биол., наук Автухович И.Е., а также профессору Таджикского государственного аграрного университета Норову М.С. Директорам организаций: МУП “ Истринский водоканал” Петрушину Ю.Н. и НИЭС Щербакову А.Ю.

Содержание работы

1. Обзор литературы

Сущность и значение фитомелиорации и фиторемедиации в улучшении состояния почвенных ценозов

Раскрыты вопросы теории и практики фитомелиоративной концепции мирового и отечественного земледелия. Представлены основные проблемы, стоящие перед наукой и практикой по биологизации агросферы, показаны направления по которым необходимо развивать экологическую концепцию фитомелиорации, отдельно рассмотрен вопрос по корневым выделениям фитомелиоративых культур.

Обобщены научные результаты по проблеме фиторемедиации загрязненных почв различного назначения. Представлены наиболее интересные материалы по растениям гипераккумулянтам тяжелых металлов, рассмотрены вопросы теории и практики поступления катионов тяжелых металлов из почвенного раствора в ксилемные ткани растений. Отдельно представлены материалы по вопросам утилизации органоминеральных отходов и значения фиторемедиации почв сельскохозяйственного назначения.

2. Условия, объекты и методы исследований

2.1 Опыты в Германии в условиях почвенной культуры с горчицей белой и рапсом (1998 - 1999)

Опыт был заложен на юге Германии (земля Баден-Вюртемберг). Использовали семена белой горчицы из России и рапса - немецкой селекции. Опыт проводили в условиях летней теплицы в вегетационных сосудах. При его закладке использовали метод рендомизации. Повторность 4-кратная. Содержание в почве подвижного калия- 3,4 (А-Л) мг/кг, фосфора 30 мг/кг (подвижного), рН_сол, - 6,4; С_орг - 2,8%. Механический состав -- средний суглинок, горизонт -- А, влажность -- 39%.

С целью изучения доступности фосфора и поступление его в растения использовали следующие его формы: труднорастворимый гиперфос (400 мг фосфора на 1 кг); легкорастворимый КН₂РО₄ (80 мг подвижного фосфора на 1 кг); в вариантах с легкорастворимым фосфором K₂SO₄ не вносили.

Высевали отобранные семена из расчета 10 шт. на сосуд. После прорастания в каждом сосуде оставляли 4 растения. Определяли биометрические (линейные размеры, число цветоносных побегов, влажную и сухую массу стеблей и корней) и агрохимические (содержание фосфора в растениях и почве) показатели.

Фосфор в почве определяли на фотометре по Мерфи и Рейли Murphy J., (Riley, 1962).

В растениях Фосфор определяли по Джексону М (Jackson М. L., 1984)

2.1.1 Схема вегетационного опыта

Схема опыта включала следующие варианты:

1 -- почва без растений (контроль);

2 -- гиперфос (апатит), доля СаО -- 45%, Р₂О₅ -- 30%;

3 -- белая горчица;

4 -- гиперфос + белая горчица;

5 -- растворимый фосфор (КН₂РО₄);

6 -- растворимый фосфор + белая горчица;

7 -- рапс;

8 -- гиперфос + рапс;

9 -- растворимый фосфор + рапс.

2.2 Опыты в водной культуре с горчицей белой (ИФР имени К.А. Тимирязева РАН, 2000 - 2003)

Использовали смена горчицы белой. Опыт проводили в водной культуре. Питательный раствор готовили по стандартной методике.

После высадки молодых растений в общий кристаллизатор и адаптации к питательному раствору, растения выращивали на полной питательной среде 2 недели (т.е. 14 -15 дней). В течение этого времени в сосудах через каждые 2 дня заменялся питательный раствор. В фазе двух настоящих листьев и при длине корней 3-4 см. опытные растения высаживали в контейнеры по вариантам схемы опытов.

В фазу цветения определяли содержание фосфора в надземной массе опытных растений. Использовали метод определения фосфора по Мерфи и Райли, как и в опыте, который проводился в Германии. Основу методики составляет спектрофотометрический метод (ГОСТ 26657-85). Подкисляющее действие корневых выделений определяли потенциометрическим методом (прямой потенциометрии) с использованием портативного прибора « Аквилон - 410» .

При отработке методики по проведению тест - реакции по окрашиванию выделяемых органических кислот использовали деионизированную воду, раствор метилового красного, чашки Петри и растения горчицы белой в фазе 2 настоящих листьев.

При определении органических кислот, выделяемых растениями горчицы белой использовали стандартную методику определения органических кислот в растворах на газовожидкостном хроматографе в модификации кандидата химических наук Иванова А.А. По Иванову этом метод носит название - метод ионных оклюзий или ионоэксклюзионная хроматография, но основное различие заключается в том, что в качестве элюента используется 20 мМоль. Н₂SO₄, объем метки дозатора 100 мкл., в остальном традиционный процесс. Прибор - хроматограф Kontrol 430A c УФ детектором.

2.2.1 Схемы опытов

ОПЫТ № 1

Цель: изучение роста и развития растений при стандартных параметрах и условиях стресса в водной культуре (фосфорное голодание)

1. (Контроль) Полный питательный раствор.

2. Питательный раствор без фосфорнокислого калия (КН₂РО₄)

3. Питательный раствор без фосфорнокислого калия (КН₂РО₄) с добавлением 1г фосмуки.

Перед заменой питательных растворов и после проводили измерение рН и ЭДС растворов.

ОПЫТ № 2

Цель: изучение подкисляющего действия корневых выделений горчицы белой путем измерения рН и ЭДС растворов при помещении растений в деионизированную воду на разных стадиях развития

Был разделен на несколько краткосрочных опытов.

1. Определение подкисляющего действия корневых выделений опытных растений в фазе 2 настоящих листьев непосредственно в питательном растворе.

1. Контроль. Питательный раствор без растений

2. Питательный раствор с растениями.

2. Определение подкисляющего действия корневых выделений опытных растений в фазе 2 настоящих листьев при помещении растений в деионизированную воду.

1. Контроль. Деионизированная вода без растений с внесением 1 г фосмуки

2. Деионизированная вода с растениями и внесением 1 г фосмуки

3. Деионизированная вода с растениями

3. Определение подкисляющего действия корневых выделений опытных растений в фазу цветения при использовании деионизированной воды после выращивания растений по схеме:

1. Контроль. Полный питательный раствор.

2. Исключение из питательного раствора фосфора после выращивания в кристаллизаторе.

3. Замена в питательном растворе доступного фосфора на фосмуку в дозе 1г.

В фазу цветения растения, выращенные при различном уровне питания фосфором, помещали в деионизат и фиксировали изменение величины рН в течение нескольких часов.

2.3 Опыты с почвенной культурой при использовании горчицы белой и ячменя (ДАОС - Долгопрудненская агрохимическая станция имени Д. Н. Прянишникова, 2004 - 2005гг.)

Продолжение и расширение исследований по теме фитомелиорации было продолжено в условиях летней телицы в ДАОСе.

В качестве основного объекта исследований в данном опыте использовали горчицу белую.

При моделировании оптимальных условий по содержанию подвижного фосфора в почве использовали фосфорнокислый кальций Ca(H₂PO₄)₂ или простой суперфосфат и фосфоритную муку.

Опыт проводили в сосудах, содержание почвы в пересчете на сухую массу - 5 кг. Повторность опыта 4 кратная. В течение всего эксперимента полив проводили дистиллированной водой, доводя до 75% от ППВ. Увлажнение почвы проводилось по весу в зависимости от расхода влаги.

Таблица 1 Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой почвы (ДАОС 2004г.)

Параметр	Значение	Размерность
рНkcl.	6,3	б/р
P2O5	6,6	мг/100 г.
K2O	4,3	мг/100 г.
Гумус	1,2	%

Все варианты опыта предварительно готовили путем перемешивания почвы с заранее взвешенными дозами суперфосфата или фосфоритной муки. Обе формы фосфора вносили в дозе 0,05 г д.в./кг почвы. В пересчете на массу удобрения это составило 0,44 г Ca(H₂PO₄)₂, и 1,36 г фосфоритной муки на 1 сосуд. В процессе проведения опыта по вариантам проводили отбор почвенных образцов.

На сосуд высевалось 15 растений горчицы белой и 12 растений ярового ячменя.

Уборку горчицы проводили в конце фазы цветения и начала образования стручков на нижних ярусах. Определяли массу надземной части растений.

Осенью 2004 года для полной имитации последействия сидерата всю растительную массу высушили, определили сухую массу, перемололи и заделали в почву по вариантам, весной 2005 года провели полную перебивку сосудов и посеяли яровой ячмень. Ячмень убирали в стадии полного созревания зерна в колосе.

2.3.1 Схема опытов

Таблица 2 Схема опыта (ДАОС 2004 г)

Вариант	Количество сосудов в варианте	Характеристика варианта
1	8	почва
1а		почва (посев горчицы белой)
2		почва + Ca (H2PO4)2
2а		почва + Ca (H2PO4)2 (посев горчицы белой)
3		почва + фосфоритная мука
3а		почва + фосфоритная мука (посев горчицы белой)

Статистическую обработку результатов с использованием программы дисперсионного анализа - STRAZ ( авт.прог. Захарин М.Г.)

Схема опыта в 2005 году имела вид (табл. 3):

Таблица 3 Варианты опыта (ДАОС 2005г)

Вариант	Характеристика	Количество сосудов в варианте
1	(контроль)	4
	ячмень
1а	горчица белая
	горчица белая + ячмень
2	Ca(H2PO4)2
	Ca(H2PO4)2+ ячмень
2а	Ca(H2PO4)2+ горчица белая
	Ca(H2PO4)2+ горчица белая + ячмень
3	фосмука
	фосмука + ячмень
3а	фосмука +горчица
	фосмука +горчица + ячмень

2.4 Опыт в Московском отделении ВИР (старое название), (ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии п. Михнево) при использовании горчицы белой и сафлора

Опыт заложен на дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах в условиях Московской области на территории опытной станции п. Михнево. Участок равнинный. Почва слабогумусирована, мощность гумусного горизонта 18 - 22 см. Хорошо выражен подзолистый горизонт. Подстилающая порода - моренный суглинок. Эрозионные процессы слабо выражены.

В опытах мы использовали сорт сафлора Шифо и горчицу белую отечественной селекции.

За период проведения опытных исследований проводили следующие наблюдения и учеты: фенологические, биометрические.

Учет урожая методов выборочных делянок - в четырех кратной повторности, площадь учетной делянки 1 м² .

Повторность в опыте четырех кратная. Площадь повторности - 20 м².

Отбор почвенных образцов осуществляли по общепринятой методике в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01 - 83 и ГОСТ 17.4.4.02 - 84.

Отбор растительных образцов проводили при помощи рамочного метода, который использовался при учете урожайности зеленой массы.

Определение кислотности почвы проводили потенциометрическим методом.

Определение подвижных соединений калия и фосфора в почве проводили по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207 - 91).

Для определения фосфора и калия в растениях использовали мокрое озоление по Гинсбургу.

Определение гумуса проводилось по методу Тюрина в модификации Никитина. (ГОСТ 26213-91) (Практикум по агрохимии, 1989).

Микробиологическую активность почвы оценивали по методике Звягинцева Д.Г., в основе которой лежит определение биологической активности почвы по интенсивности разложения целлюлозы (Звягинцев Д.Г.,1978; Практикум по агрохимии, 2001; Методы почвенной микробиологии и биохимии,1991).

С целью не нарушить правило единства различий льняные полотна в осенний период закладывали в 2 этапа. 1 этап - горчица - чистый пар, 2 - сафлор - чистый пар, поскольку эти 2 культуры существенно различаются по срокам прохождения основных фенофаз развития и таким образом опыт был разделен на 2 отдельных блока по учетам в осенний период.

Отбор и анализ почвенных образцов на определение подвижного фосфора и калия проводили по вариантам весной 2008 и 2009 года, но уже с целью изучения последействия.

2.4.1 Схема опыта

1. Контроль - Чистый пар

2. Посев горчицы белой на зеленое удобрение

3. Посев сафлора на зеленое удобрение

Предшественники - многолетние кормовые травы.

Удобрения на опытном участке не вносились в течение 10 лет.

Норма высева горчицы -25 кг/га, сафлора - 22 кг/га. Ширина защитной полосы между делянками 1 м.

В опыте в качестве основных культур исследовались фитомелиоратвные возможности растений горчицы белой и сафлора.

Скашивание горчицы и сафлора с последующей запашкой проводили в фазу цветения.

2.4.2 Агроклиматическая характеристика района

Московская область расположена в поясе господства континентального климата умеренных широт.

По тепло- и влагообеспеченности, рельефу и типу почвы, Московскую область можно разделить на три агроклиматических района.

Ступинский район относится ко второму (II) агроклиматическому району, который занимает центральную часть области и входит в подрайон IIа - с дерново-подзолистыми суглинистыми почвами.

Московская область относится к зоне достаточного увлажнения. Годовое количество осадков колеблется от 450 до 650мм и более.

Физическая спелость почвы наступает у суглинистых почв в среднем 20 мая, а у супесчаных - 18 мая

Сумма среднесуточных температур воздуха за период активной вегетации изменяется от 1900° на северо-западе до 2100° на юго-востоке и востоке района. Гидротермический коэффициент равен 1,3--1,4.

Средняя продолжительность безморозного периода - 120 - 135 дней. В январе средняя температура - -10,5°С, в апреле - 3,5°С, в июле - 17,8°С, в октябре -3,8°С.Область отличается достаточной и повышенной увлажнённостью на возвышенных участках и умеренной - в низменных частях.

Климатические условия благоприятны с точки зрения агрономии для выращивания многих пропашных культур. Устойчивый снежный покров здесь образуется к 25 ноября - 2 декабря. А средняя высота снежного покрова составляет 35см, который может продержаться до 137 - 143 дней.

В январе и апреле количество осадков более 30 - 35 мм, в июле - 70 - 90 мм, в октябре - 40 - 55мм. Годовой приход солнечной радиации на территории Московской области составляет 87 ккал/см². Из этого количества 41 ккал/см² - в виде рассеянной радиации.

2.5 Модельные опыты в почвенной культуре по фиторемедиации

В опыте использовали стабилизированный осадок сточных вод очистных сооружений г. Истры. Химический состав ОСВ приведен в табл. 4.

Таблица 4 Содержание тяжелых металлов (мг/кг) в ОСВ очистных сооружений г. Истра 2002г.

Наименование показателя	Методика испытаний	Результаты	Допустимые уровни по гост 17.4.07 - 2001 ( 1 и 2 группы)
свинец	ААС	37,4	250500
кадмий	ААС	5,6	15 30
медь	ААС	539,2	750 1500
цинк	ААС	686,7	1750 3500

При изучении фитосанации в вариантах опыта использовали белую горчицу (Sinapis alba. L). Опыт был заложен в почвенной культуре. Использовали дерново-подзолистую среднесуглинистую почву, расчет доз вносимого осадка проводили по сухой массе.

Вегетационный опыт проводили по следующей схеме:

1. Контроль (без ОСВ)

2. (ОСВ 16,6г/кг)

3. (ОСВ 33,2 г/кг)

Повторность опыта четырехкратная. Опыт был заложен в сосудах Митчерлиха, вместимостью 5,2 кг воздушно-сухой почвы. Почвенные образцы отбирали и анализировали на содержание четырех тяжелых металлов (Cd, Pb, Cu, Zn) по вариантам после окончания вегетации растений 2, 3 и 4 сроков посева, кислоторастворимые формы металлов определяли в вытяжке 5 М HNO₃ (РД 52.18.191-89 МУ) атомно - абсорбционным анализом, подвижные формы металлов определяли в 1М CH₃COONH₄ (РД 52.18.289-90 МУ).

2.6 Полевые опыты по фиторемедиации загрязненных почв (очистные сооружения г. Истры, ГБС РАН г. Москва)

Истринский район расположен на северо-западе Московской области. Площадь его 130 тыс.га.

По агроклиматическому районированию Московской области Истринский район занимает промежуточное положение его западная часть входит в первую, а восточная во вторую агроклиматическую зону. Это наиболее холодная и переувлажненная территория области. Количество осадков колеблется в пределах 610-680 мм. Непрерывная продолжительность периода без осадков может достигнуть 30-32 дней, период с t выше 10⁰С длится, в среднем 130 дней (с 10 мая по 15 сентября).

По агроклиматическому районированию Московской области Истринский район занимает промежуточное положение его западная часть входит в первую, а восточная во вторую агроклиматическую зону. Это наиболее холодная и переувлажненная территория области. Количество осадков колеблется в пределах 610-680 мм. Непрерывная продолжительность периода без осадков может достигнуть 30-32 дней, период с t выше 10⁰С длится, в среднем 130 дней (с 10 мая по 15 сентября). В почвенном покрове района представлены дерново-подзолистые почвы суглинистого механического состава средней и сильной степени оподзоленности.

Опыт по изучению фиторемедиации в условиях мегаполиса, каким является г. Москва проводился на территории ГБС РАН в 1998-2000 гг., в течение 3-летнего цикла роста и развития растений пиона молочно-цветкового (Paeonia lactiflora Pall)

2.6.1 Описание объектов и методов исследований

В опыте использовали стабилизированный осадок сточных вод очистных сооружений г. Истры.

Результаты представлены в табл. 5

Осадок сточных вод г. Истры (табл.5) характеризуется нейтральной реакцией, высоким содержанием общего азота, фосфора и органического вещества, зольностью 32 % и влажностью 30 %.

Почва дерновоподзолистая, среднесуглинистая

При изучении фиторемедиации (фитосанации) в 2005 - 2006гг. в почву по вариантам высевали семена горчицы белой, глубина посева 3 - 4 см. Норма высева из расчета 20 кг семян на га.

В последующие годы исследований (2007 - 2008) высевали сафлор из расчета 22 кг семян на га.

Опыт проводился в четырехкратной повторности. Расположение делянок систематическое. Площадь делянки составляла 15 м². Между каждым вариантом и внутри повторностей располагалась защитная полоса шириной 0,5 м. В течение каждого полевого сезона было проведено 2 ротации горчицы белой, при использовании сафлора - 1 ротация за полевой сезон. ОСВ вносили вручную, доза осадка рассчитана по сухой массе.

Схема опыта включала 4 варианта:

1. Контроль

2. ОСВ 40т/га

3. ОСВ 80т/га

4. ОСВ 120т/га

После каждой ротации в фазу цветения растений учитывали урожай и проводили отбор растительных образцов (зеленая масса и корни).

Учет урожая проводился сплошным методом, с использованием технологии полного удаления растений с участка. Содержание органического вещества (ГОСТ 26213-91) определяли колориметрически по методу Тюрина.

Таблица 5 Химический состав ОСВ

Показатель	Ед. изм.	НД на методы испытаний	Результат испытания	Норматив
рН		ГОСТ 27979-88	7,1	5,5-8,5
Азот общий	%	ГОСТ 26107-84	0,64	Не менее 0,60
Р205 общий	%	ГОСТ 26207-91	5,27	Не менее 1,5
К20 общий	%	ГОСТ 26207-91	0,92	Не менее 0,15
Органическое вещество	%		40,3	Не менее 20
Содержание подвижных форм ТМ (Аммонийно-ацетатный буфер)
Свинец	мг/кг	«Руководство по санитарно-химическому исследованию почвы». Нормативные Материалы. Государственный комитет СанЭпиднадзора России. М., 1993 г, - 130с.	13,60	--
Кадмий	мг/кг		0,94	--
Медь	мг/кг		42,21	--
Цинк	мг/кг		70,45	--
Содержание ТМ (5 М НNОз):	Допустимые уровни по ГОСТ Р 17.4.3.07-2001
Свинец	мг/кг	«Руководство по санитарно-химическому исследованию почвы». Нормативные материалы. Государственный комитет СанЭпиднадзора России. М.,1993 г,130 с.	35,6	250
Кадмий	мг/кг		12,8	15
Медь	мг/кг		543,7	750
Цинк	мг/кг		710,5	1750

рН солевой вытяжки (ГОСТ 26483-85) - потенциометрически. Подвижные формы фосфора (ГОСТ 26207-91) и калия (ГОСТ 26207-91) определяли в вытяжке Кирсанова, гидролитическую кислотность (ГОСТ 26212-91) по методу Каппена, сумму поглощенных оснований (ГОСТ 26487-85) - по Каппену-Гильковицу.

Пробы почвы отбирали при помощи бура.

При подготовке растительных проб корни и надземную часть растений отбирали с каждого варианта (1 м кв.) по повторностям.

Почва опытного участка характеризовались следующими агрохимическими показателям (табл. 6):

Таблица 6 Агрохимическая характеристика почвы опытного участка.

рНKCI	Органическое вещество, %	Нг	S	ЕКО	V, %	P2О5	К2О
		мг - экв / 100г почвы		по Кирсанову, мг/кг
6,87	2,3	1,8	10,2	12,0	85,0	105	82

Исходное содержание тяжелых металлов в почве опытного участка представлено в таблице 7.

Таблица 7 Содержание тяжелых металлов в почве опытного участка (0-20см). Опытная площадка истринских очистных сооружений

Химические элементы	Валовое содержание (5М НNО3), мг/кг	ОДК, мг/кг	Подвижные формы (аммонийно-ацетатный буфер), мг/кг	ПДК, мг/кг
Рb	11,5	130,0	1,7	6,0
Сd	2,2	2,0	0,3	0,5
Cu	178,8	132,0	18 ,4	3,0
Zn	161,1	220,0	22,6	23,0

Пробы почвы отбирали при помощи бура.

При подготовке растительных проб корни и надземную часть растений отбирали с каждого варианта (1 м кв.) по повторностям.

Тяжелые металлы в растительных пробах определяли в их зольных растворах на атомно-абсорбционном спектрофотометре с лампами полого катода типа С 115-1М. Минерализацию проб растений проводили методом сухого озоления по ГОСТ 26657-85.

Статистическая обработка данных проведена при использовании программы дисперсионного анализа STRAZ.

При использовании пиона молочноцветкового модельный участок был расположен на расстоянии 50 м от автомобильной магистрали. Было высажено по 60 растений в 3 повторностях. Концентрацию тяжелых металлов определяли в образцах верхнего (0-15 см) и нижележащего (15-30 см) слоев перед посадкой пионов и после выкопки корней.

Почвенные образцы, доведенные до воздушно-сухого состояния, измельчали и просеивали сквозь сито с диаметром отверстий 2 мм.

Анализ воздушно-сухого образца растительного материала проводили после сухого озоления и растворения золы в равной смеси (1:1) 10% растворов НС1 и HNO₃. В дальнейшем все пробы подвергали атомно-абсорбционному анализу на содержание в них тяжелых металлов -- Zn, Сu, Ni, Pb и Cd -- на приборе AACZ-6000 фирмы «Хитачи».

Основные агрохимические показатели дерново-подзолистой почвы определяли по стандартным методикам.

2.7 Полевые опыты по изучению выращивания семенного картофеля на загрязненных тяжелыми металлами почвах, как альтернативного приема фиторемедиации (Владимирская обл., ВНИПТИОУ)

Полевой опыт проводился на опытном участке ВНИПТИОУ, расположенном в Судогодском районе Владимирской обл. Загрязнение верхнего слоя почвы создавалось внесением термофильно-сброженного осадка сточных вод Владимирского коммунального хозяйства. Вносили ОСВ в количестве 100 и 200 т/га в 1998 г. с целью изучения аккумуляции ТМ в компонентах агроценозов.

Дерново-подзолистая супесчаная почва опытного поля характеризовалась хорошими агрофизическими свойствами (табл. 8).

Таблица 8 Агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы (ВНИПТИОУ, совместно с Хоренко Л.А.)

Вариант	Гумус, %	pHсол	P2O5	K2O
			мг/100г по Кирсанову
Без внесения ОСВ ) контроль)	1,75	6,0	21,6	7,3
100 т/га	1,78	6,3	50,3	8,1

С целью получения высококачественного семенного материала картофеля использовали 2 - хлорэтилфосфоновую кислоту. (2 -ХЭФК) разлагается в тканях с выделением этилена. Поэтому мы использовали этот ретардант для воздействия на ростки, расположенные на апикальной части клубня, с целью снятия апикального доминирования.

Агротехника общепринятая для семеноводческих хозяйств Нечернозёмной зоны. Норма посадки 3,5-4,0 т/га, средняя масса посадочных клубней составляла 50 - 60 г.

2.7.1 Схема полевого опыта

Схема опыта включала 5 вариантов:

1 -- контроль клубни, обработанные чистой водой;

2 -- 0,01% раствор 2-ХЭФК (1 мл/л воды);

3 -- 0,05% раствор 2-ХЭФК (5 мл/л воды);

4 -- 0,005% раствор симбионта (0,5 мл/л воды);

5 -- 0,01% раствор симбионта (1 мл/л воды)

Исследования проводились в течение 1998-2000 гг. с мая по сентябрь. Количество осадков и температура в мае обоих годов были значительно ниже нормы, что сильно задержало всходы картофеля. Лето 1999 г. выдалось засушливым и жарким, что привело к снижению урожая и помешало проявиться действию биопрепарата симбионт в 2000 г., после пика высоких температур, пришедшегося на II декаду июля, средняя относительная влажность была выше средних многолетних данных до конца вегетации, спровоцировав очаговое поражение растений грибом - Phitophtora infestans.

При проведении опытов руководствовались методикой исследований по культуре картофеля (НИИКХ, 1967). Учитывали следующие показатели: длительность периода от закладки опыта до начала всходов, даты наступления полных всходов, фазы бутонизации и цветения, начала отмирания ботвы, уборки урожая.

Во время вегетации растений подсчитывали количество стеблей и трижды, во время каждой фазы, измеряли их высоту. Фотосинтетическую поверхность растений определяли методом высечек (Методика полевого опыта, 1959) во время бутонизации и цветения. Эти фазы являются оптимальными для определения ассимиляционной поверхности листьев, так как к моменту бутонизации растение сформировывается на 70-75%, а во время фазы цветения листовая пластинка максимально развита.

Отбирали образцы почв до закладки опыта и после уборки урожая с делянок с разным содержанием ОСВ. По вариантам отбирали средние образцы клубней картофеля для микроэлементного анализа. Для изучения последействия препаратов закладывали семенной материал на хранение. Провели анализ отобранных образцов почвы и растений на содержание тяжёлых металлов. Содержание в почвенных и растительных образцах тяжёлых металлов определяли в лаборатории НИЭС (Независимый институт экспертизы и сертификации) (Методические указания по определению тяжёлых металов……1992) на атомно-абсорбционном спектрофотометре С-115, ртуть - на анализаторе «Юлия-2 М».

Полученные результаты измерений подвергли статистической обработке методами дисперсионного и корреляционного анализа с помощью программы «Straz».

Результаты и обсуждение

3. Опыт в Германии

Влияние мобилизационной способности горчицы белой и рапса на итоговое содержание доступного фосфора в почве в условиях почвенной культуры

Опыты проводили в Германии (университет ХОЕНХАЙМ) в условиях летней оранжереи с регулируемыми автоматикой условиями освещения и температуры.

В вегетационном опыте исследованы возможности сидеральных культур накапливать фосфор при внесении в почву легкорастворимого (KH₂PO₄) фосфора и труднодоступного апатита (гиперфоса). В качестве контроля использовалась почва с естественным низким содержанием доступного фосфора.

3.1 Влияние различного содержания фосфора в почве опытных вариантов на рост и развитие растений горчицы белой и рапса

Первые признаки реакции растений на различное обеспечение почвы фосфором были отмечены 30 мая. В контроле и в варианте с гиперфосом растения заметно отставали в росте по сравнению с растениями, развивающимися в вариантах с растворимым фосфорнокислым калием (KH₂PO₄).

Стебли на горчице и рапсе срезали 24 июня -- по окончании цветения горчицы, так как именно в эту фазу культуру запахивают на зеленое удобрение.

3.2 Влияние различной степени обеспеченности почвы доступным фосфором на урожайность опытных растений

После окончания вегетации определяли сырую и сухую массу растений (табл. 14).

Было отмечено, что горчица белая будет хорошо развивается на почвах с низким содержанием доступных форм фосфора, но имеющих определенный запас труднорастворимых фосфатов.

Таблица 9 Урожай надземной (числитель) и корневой (знаменатель) массы (г) по вариантам в среднем 1 растения (Германия, ХОЕНХАЙМ)

Вариант	Сырая масса	Сухая масса	% к влажной
Горчица белая
КОНТРОЛЬ	5,35/0,23	1,01/0,05	19,2/21,7
ГИПЕРФОС	7,23/0,28	1,20/0,06	16,6/21,4
НСР05	8,59/0,39 1,31	1,66/0,09	19,3/23,1
Рапс
КОНТРОЛЬ	10,65/1,13	1,21/0,16	11,4/14,2
Гиперфос	9,57/0,61	1,08/0,08	11,3/13,1
КН2РО4	14,30/1,14	1,92/0,17	13,4/14,9
НСР05	1.30

3.3 Накопление фосфора в надземной массе горчицы белой и рапса и его выноса с урожаем в зависимости от содержания доступного фосфора в почве

Как известно, фосфор поступает в растение в виде ионов ортофосфорной кислоты, способность растений поглощать такие ионы из прочносвязанных фосфатов определяется, прежде всего, концентрацией органических кислот, выделяемых растением в ризосферной зоне.

Растения горчицы и рапса показали довольно близкие результаты по накоплению фосфора в зависимости от различной степени содержания доступного фосфора в почве (табл. 10).

По результатам, представленным в таблице 10 следует отметить, что расхождения по накоплению фосфора в пересчете на одно растение между рапсом и горчицей белой не существенны внутри блока определенного варианта. В то же время если сравнивать варианты в зависимости от вида удобрения, то различия существенны. Интересно отметить, что существенность различий четко прослеживается, если сравнить контрольный и варианты с гиперфосом и фосфорнокислым калием.

Таблица 10 Содержание фосфора в надземной части растений (мг) горчицы белой (числитель) и рапса (знаменатель)

Показатели	Контроль	Гиперфос	КН2РО4
На 1 г сухой массы	1,335 ------- 1,340	3,128 ------- 3,503	4,638 ------- 4,686
НСР05	0,139/0,308
На сухую массу одного растения	1,348 ------- 1,634	3,753 ------- 3,88	7,700 ------- 8,990
На сосуд	5,392 ------- 6,636	15,012 --------- 15,536	30,800 --------- 35,960
Поглощение фосфора растениями на сосуд	12,6 ----- 15,8	20,8 ------ 21,6	25,0 ------ 29,2

На завершающей стадии опытных исследований были проанализированы по вариантам почвенные образцы, результаты представлены в табл. 11.

Таблица 11 Содержание подвижного фосфора в почве опытных вариантов (мг/кг)

Показатели	Контроль	Гиперфос	КН2РО4
Контроль (без растений)	42,0	72,6	123
Горчица белая	33,6	64,4	61,5
Рапс	32,8	64,8	53,3
НСР05 0,48

В варианте с гиперфосом общее поглощение растениями горчицы на один сосуд составило около 15 мг, а содержание доступного фосфора после окончания вегетации было 64 мг/кг почвы и 72 мг/кг в варианте с гиперфосом без растений. Разница так же 8 мг/кг почвы, растения на сосуд накопили около 15 мг, вероятно, 7 мг растения горчицы аккумулировали при воздействии корневых выделений на труднорастворимый гиперфос. У рапса в варианте с гиперфосом также отмечается аналогичная тенденция.

4. Обоснование экологического значения корневых выделений и их идентификация при росте и развитии горчицы белой в условиях водной культуры

Опыты в ИФР им. К.А. Тимирязева РАН, 2000 - 2003гг.

Установлена зависимость между уровнем фосфорного питания и интенсивностью дыхания корней горчицы, содержанием фосфора в растительной массе.

Идентифицированы корневые выделения растений горчицы белой в условиях искусственно созданного стресса (фосфорное голодание).

4.1 Результаты анализа растительной массы на содержание фосфора

Способность к потреблению труднодоступного фосфора горчицей белой в условиях водной культуры доказывает и анализ образцов на содержание фосфора (Р₂О₅) (диаграмма 1).

Диаграмма 1. Накопление фосфора растениями белой горчицы в зависимости от степени доступности в питательном растворе.

Было отмечено, что больше всего фосфора содержится в растениях контрольного варианта 4991 мг/кг сухой массы, т.е. в варианте где было оптимальное питание на протяжении всего развития растений. В 3 варианте, где доступный фосфор был заменен на фосмуку в дозе 1 г, содержание общего фосфора в растениях меньше контроля и составляло 3876мг/кг.

Вариант, в котором растения, испытывали полный дефицит по фосфорному питанию, содержание в растительной массе составило 2991мг/кг.

4.2 Влияние коревых выделений белой горчицы на подкисляющее действие в испытуемых растворах деионизированной воды

Анализ данных показал, что существенное подкисление, вследствие выделения корнями горчицы органических кислот, происходит у молодых растений. В тоже время опыт показал, что растения очень быстро реагируют на отсутствие фосфора в среде и интенсивно начинают выделять в окружающее пространство органические кислоты. В целом же после замены растворов отмечена тенденция к увеличению рН среды т. к. происходит расход ионов, их активное потребление корнями растений и раствор приобретает практически нейтральную среду (таблица 12).

Таблица 12 Динамика измерения рН и ЭДС питательных растворов.

Дата	Новый раствор питательной среды	Питательный раствор
	рН	ЭДС	рН	ЭДС
Растения в фазе 2 - 4 настоящих листьев
9.07	5.30	120.3	3.80	158.8
10.07			4.66	99.5
11.07			5.26	67.9
15.07			6.26	65.0
16.07			6.46	-4.5

(ИФР РАН, совместно с Курило А.А)

Существенное подкисление замечено только у молодых растений, находящихся в фазе 2 - 4 настоящих листьев, на...