XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Нарушение экологического равновесия в экосистемах, наметившееся в последнее столетие, вызвано выбросами большого количества загрязнителей от антропогенных источников. Данная проблема вызывает большое беспокойство всего человечества. Охрана окружающей среды является важнейшей государственной задачей и для Казахстана. Экологическая безопасность является одним из стратегически фундаментальных компонентов национальной безопасности и важнейшим аспектом защиты интересов и приоритетов страны в международных интеграционных процессах. Она определяется степенью защищенности личности, общества и государства от последствий чрезмерных антропогенных воздействий на окружающую среду. Экологически безопасная деятельность промышленных предприятий и хозяйственных субъектов регламентируются Экологическим кодексом, законами «О радиационной безопасности», «О недрах и недропользовании» и другими законодательными документами [1-4]. Обеспечение нормальной экологической обстановки невозможно без наличия своевременных и достоверных информаций о состоянии окружающей среды.

Несмотря на регулярный поток экологических информаций из многочисленных научных исследований, а также на наличие ряда практических мероприятий в области охраны окружающей среды, ее состояние зачастую продолжает оставаться неудовлетворительным [5]. В связи с этим до сих пор наша республика сохраняет статус государства с экологически уязвимой территорией и нерешенными экологическими проблемами. В стране поэтому особое внимание уделяется развитию научных исследований по важнейшим проблемам экологической безопасности, устойчивого природопользования и по другим вопросам, касающихся охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Охрана почв и их рациональное использование имеют первостепенное значение для экономического и социального развития страны. По сравнению с другими объектами биосферы, почвенный покров является средой принимающей на себя давление потока промышленных, сельскохозяйственных, коммунальных, включая полигоны ТБО, выбросов, различных отходов и выполняющей важнейшую роль буфера и детоксиканта [6-10]. Почва аккумулирует тяжелые металлы, пестициды, нефтепродукты и многие другие загрязнители, защищая и очищая от них водные системы и атмосферный воздух. Большинство токсикантов в почвенной системе могут быть минерализованы или трансформированы в вещества, не оказывающие токсического действия на почву, микроорганизмы, растения, животных и человека, или, наоборот, преобразованы в более токсичные формы [11-14]. Естественная устойчивость, сопротивляемость и буферность почв к воздействию химических загрязняющих веществ не беспредельны, в связи с этим по разным причинам ежегодно теряются большие площади земель. Поэтому поддержание и восстановление почвенного покрова, снижение негативного влияния загрязняющих веществ далее на растительные и животные организмы и создание условий для получения высоких и качественно полноценных урожаев сельскохозяйственных культур даже в районах расположения крупных промышленных предприятий, больших городов, транспортных артерий являются необходимыми для решения ряда актуальных проблем в области экологии.

В связи с высоким техногенным загрязнением и интенсивным развитием эрозионных процессов важной теоретической и практической задачей является также изучение биоаккумуляции химических элементов различными сельскохозяйственными культурами. Подбор высокоэффективных удобрительно-мелиоративных средств, обладающих аккумулирующими загрязнителей свойствами, а также культур и сортов, способных в наименьшей степени концентрировать в хозяйственно ценной части урожая токсичные вещества, позволит получить экологически чистую продукцию на техногенно загрязненных территориях.

Таким образом, анализ литературных источников [15-20], а именно результаты оценки и сравнения известных методов свидетельствуют, что идеального способа обезвреживания (детоксикации) земель в настоящее время не существует. В связи с этим вопрос разработки эффективных методов и технологии оздоровления и повышения продуктивности почв, отвечающим современным требованиям в экологическом, технологическом и экономическом аспектах, является актуальным.

Целью настоящей работы является установление возможности получения экологически чистых сельскохозяйственных культур на антропогенно измененной сероземной почве путем создания условий детоксикации и воспроизводства ее плодородия.

Объекты, методы и результаты исследования

Исследовательские работы проведены на базе лаборатории «Экологический контроль и химический анализ» НИИ «Экология» с использованием актуализированных методических указаний по проведению аналитических и испытательных работ, сертифицированных методик для выполнения измерений, актуализированных ГОСТ-ов, а также других необходимых для проведения экспериментов нормативных документов и программных комплексов ЭРА-Воздух-Отходы-Класс-Климат.

Для реабилитации загрязненных ТМ сероземных почв нами ранее были использованы удобрение-мелиоранты, включающие в своих составах вермикомпост в твердом виде и сероперлитсодержащий отход сернокислотного производства. В составе сероперлитсодержащего отхода 50-60% приходится на элементную серу, 15-25% на перлит, остальную часть представляют сульфиды, полисульфиды, тиомочевина, известь, гипс. При применении эти комплексные составы играют роль как удобрений, так и мелиоранта [21-22].

В работе для проведения опытов использованы сероземные почвы Туркестанского региона Республики Казахстан с содержанием общего гумуса в слое (0-40 см) – 1,0-1,2%, общего азота – 0,09-0,18%, подвижного фосфора – 9,1-26,0 мг/кг, сумму обменных оснований – 23,6-26,9 мг-экв/100 г почвы, рН водный вытяжки – 6,5. Для нее свойственна неблагоприятные физические свойства, а именно низкая оструктуренность пахотного слоя, при высыхании на его поверхности образуются достаточно плотные корки.

Натурные исследования проводились на делянках с общей площадью – 45 м², с учетной – 27,5 м². Повторность опытов четырехкратная. Закладку опытов, проведение наблюдений и биометрические замеры осуществляли в течение вегетации согласно известной методике проведения опытов с удобрениями. Схема опыта, варианты: 1 – без внесения вермикомпоста и минеральных удобрений (контроль); 2 – с внесением вермикомпоста, 4 т/га; 3 – с внесением вермикомпоста, 8 т/га; 4 – сероперлитсодержащий отход, 15 т /га; 5 – верблюжий навоз, 20 т /га; 6 – смесь сероперлитсодержащего отхода и вермикомпоста (1,7:1) 20 т /га. Удобрительно – мелиорирующее средство внесено локально в виде гнезда, а также вразброс с последующим перемешиванием со слоем почвы 0-20 см.

Основой для разработки способов обезвреживания почв и восстановления ее плодородности послужили новые результаты, полученные нами ранее при изучении процессов транслокации, миграции и аккумуляции тяжелых металлов, нефтепродуктов и других экотоксикантов в почвенной экосистеме, в системе «почва-растение». Выявленные закономерности дали возможность управлять поведением тяжелых металлов и других загрязнителей в почвенной экосистеме и сопредельных ей в других объектах биосферы.

В нашей работе реабилитация загрязненных сероземных почв тяжелыми металлами, нефтепродуктами основано на применении удобрительно-мелиоративной смеси, составленной из вермикомпоста и отхода сернокислотного производства, включающий перлит, элементную серу и ее соли в виде тиосульфата, сульфида и полисульфидов, гипс, гашеную известь. Применение данной органо-минеральной смеси выгодно тем, что ее компоненты не только доступны и дешевы, но и являются экологически чистыми. В качестве инактиватора-сорбента тяжелых металлов, нефтепродуктов и других загрязнителей разработанный состав использован впервые для детоксикации загрязненных малопродуктивных почв. Для данной смеси характерно не только перевод экотоксикантов в трудно растворимое сорбированное состояние, но и создание физико-химических условий для развития почвенных микроорганизмов.

Показателями, характеризующими почвенное плодородие, являлась высокая концентрация микроорганизмов и водопрочных агрегатов. Для установления водопрочности были отобраны методом квадрата свежие образцы почв. Затем из них взяты почвенные агрегаты и помещены в ячейки с отверстиями близкими по размерам величине агрегатов. Для поддержания почвенных агрегатов снизу ячеек располагали штыри, покрытые люминофором. Систему облучали УФ-излучением и фиксировали количество распавших в воде агрегатов по количеству светящихся точек. Как показывают результаты наших опытов внесение вермикомпоста в почву повышает водоустойчивость почвенных частиц. Значение водопрочности для контрольного опыта равно 15±3 %, для почвы с вермикомпостом равнялось 57±5 % (для 5 т/га) и 74±2 % (для 10 т/га). При внесении вермикомпоста наблюдалось существенное повышение количества водопрочных агрегатов с диаметром 0,25-1,00 мм, близкие к плодородной черноземной почве.

Как показали результаты лабораторных и полевых исследований внесение в почву исследуемой удобрительно-мелиоративной смеси значительно снижают подвижность свинца, меди, цинка и, соответственно, они становятся недоступными или малодоступными для растений. Это позволяет получить на загрязненной почве безопасную для здоровья продукцию. Содержание ТМ в растениях картофеля, свеклы, моркови, редьки на почве с внесением разработанного органо-минерального сорбента не превышало ПДК, в то время как в растениях, выращенных без предлагаемой нами смеси, их количество 1,3-2,5 раза превышало норму. В опытах вносимое содержание тяжелых металлов колебалось от 0,5 до 5 ПДК.

Особое внимание при выполнения данной работы нами было обращено на влияние предлагаемой комплексной удобрительно-мелиоративной смеси в целом и в отдельности основных компонентов неорганической и органической природы, например, вермикомпоста, различных ТМ, нефтепродуктов на биологическую активность используемых сероземных почв. Это связано с тем, что степень изменения ряда показателей биологической активности служить мерой воздействия искусственно попадающих в почвенную систему вредных и не вредных инородных веществ. Как следует из результатов наших работ и работ других исследователей именно показатели биологической активности почв широко применяются при мониторинге и диагностике состояния почвенной системы. Результаты как лабораторных, так и полевых опытов показали меньшее накопление азота в зеленой массе клевера при внесении удобрительно-мелиоративного средства чем в клевере, выращенном в контрольном опыте без внесения данного средства. Низкое содержание азота в растениях, видимо, связано с иммобилизацией его микроорганизмами, поскольку с вермикомпостом в почву вносилось больше органического углерода.

Как показали результаты 1-го года (2018 г.) исследования, внесение в загрязненную ТМ почву удобрительно-мелиоративного средства, состоящего из вермикомпоста и сероперлитсодержащего отхода сернокислотного производства является приемом, уменьшающим подвижность свинца, цинка, меди и других ТМ, а также снижающим их поступления в растения. Но, однако, как долго будет проявляться наблюдаемый иммобилизационный эффект неизвестно. Тяжелые металлы, поступая в почву, вступают в различные химические реакции, адсорбируются органическим веществом – вермикомпостом и другими, взаимодействуют с сульфид, тиосульфат, сульфат анионами, входящими в состав сероперлитсодержащего отхода, глинистыми минералами, оксидами, содержащимися в самой почве, в связи с этим необходимо выяснить поведение токсикантов при пролонгированном действии используемого удобрительно-мелиорирующего средства. Наблюдения необходимо проводить в течение нескольких лет, чтобы установить как отражается на конечный результат изменение форм как органической, так и неорганической части смеси со временем. В связи с этим полевые исследования по установлению влияния органо-минерального состава на подвижность ТМ и на состояние резосферных бактерий продолжаются.

Таким образом, на основе проведенных экспериментальных лабораторных и производственных испытаний найден оптимальный путь применения смеси вермикомпоста и сероперлитсодержащего отхода сернокислотного производства под кратким названием «Вермисер» в качестве удобрения-мелиоранта в сельскохозяйственной практике. При обработке препаратом «Вермисер» семян моркови и свеклы происходило увеличение корневой системы растений, площади листовой поверхности, ускорение процессов фотосинтеза. При этом фотосинтез как основа роста и развития растений, накопления химических соединений и, следовательно, биомассы может быть связана с другими физиологическими показателями, в т.ч. изменением химического состава. Возрастание объема и массы корней и корнеплодов приводит к интенсификации их поглотительной способности и синтетической деятельности, интенсификации процессов массопереноса ионов и питательных веществ по растению, что способствует интенсивному росту побега и формированию новых органов.

При визуальном наблюдении отмечено ускорение цветения и созревания культур, стимулирование развития корневых систем. Отсутствие в вносимом в почву патогенной микрофлоры, яиц и личинок гельминтов позволяет повысить экологическую безопасность урожая культур. «Вермисер» повышает количество, качество и товарный вид продукции, что важно для производства продовольственных корнеплодных культур – картофеля, свеклы, моркови и редьки. В случае загрязнения почв нефтяными продуктами детоксицирующий эффект биопрепарата «Вермисер» проявлялось в увеличении практически на два порядка численности углеводородокисляющих микроорганизмов. Благодаря наличию этих микроорганизмов в почве происходило разрушение углеводородов под посевами и как показали результаты экспериментальных исследований в конце вегетационного периода под посевами изучаемых корнеплодных культур процесс разложения углеводородных соединений ускорился под свеклой и морковью в 2 раза, под картофелем и редькой, соответственно в 2,5 и 3 раза. Данные производственных испытаний 2018-2019 гг., проведенных на землях КХ «Зебо», показали повышение урожайности корнеплодных культур, например при внесении 20 т/га препарата урожайность свеклы сорта «Бордо» составила в среднем 28,8 т/га (контроль 20,5 т/га); для моркови сорта «Шантане Рэд» - 30,4 т/га (контроль 25,0 т/га). Исследования в данном хозяйстве продолжаются.

Увеличение урожайности и улучшение вкусовых качеств исследованных культур связано с обогащением почвы гумусовыми кислотами (основные компоненты вермикомпоста) и другими питательными элементами, а также улучшением структуры почвы (ликвидация образования сухого плотного коркового слоя), позволяющей создать благоприятные условия для оптимальной аэрации и влагоемкости. Улучшение обеспеченности тканей растений водой также можно объяснить наличием достаточного количества соединений кремния в используемом сероперлитсодержащем материале. Как известно, кремний в растениях откладывается в эпидермальных клетках в виде двойного кутикулярно-кремниевого слоя, а образованная при этом кремнецеллюлозная мембрана создает условия более экономному расходованию влаги. Кроме того, монокремниевые кислоты, подвергаясь в растениях процессу полимеризации выделяют воду, что также может являться дополнительным источником влаги, необходимой для роста и развития растений.

Выводы

1. Разработанный технологический способ приготовления удобрительно-мелиорирующих смесей даст возможность получать на базе легкодоступных продуктов утилизации сельскохозяйственных и промышленных отходов новые экологически безопасные органоминеральные удобрения.

2. Применение разработанного удобрительно-мелиорирующего состава является агромелиоративным мероприятием и способствует восстановлению деградированных почв, повышению их продуктивности, улучшению экологического состояния и возврату в хозяйственный оборот земельных ресурсов сельскохозяйственного назначения.

3. Полученный материал также может служить информационной основой при составлении экологических проектов и будет использован в учебном процессе при проведении лекционных и лабораторных занятий.

4. Высокогумусированный вермикомпост и экологические чистые сельскохозяйственные продукты (овощи и др.) найдут реализацию на рынках, потенциальный потребитель – сельское хозяйство и население.

Библиография

Кодекс Республики Казахстан «Экологический кодекс Республики Казахстан» от 09.01.2007 N 212-III ЗРК.

Закон Республики Казахстан «О радиационной безопасности населения» от 23 апреля 1998 года № 219-I.

Закон Республики Казахстан «О недрах и недропользовании» от 27 января 1996 года №2828.

Назарбаев Н.А. Стратегия ресурсобережения и переход к рынку. – М., 2002. – 352 с.

Ботуз Н.И. Физико-химическая характеристика и биологическая активность биогумуса, полученного на основе дождевого червя «Старатель» // автореф. канд. с.-х. наук. Орел, 2007. – 132 с.

Сидоренко О.Д. Биологические технологии утилизации отходов животноводства: уч. пособие / О.Д. Сидоренко, Е.В. Черданцев. М.:Изд-во МСХА, 2001. – 74 с.

MaslovaYa., Yakusheva T.G., Sharkov I.N. Peplenishment of the Available Sulfur Pool in Soils with Different Degrees of Humus Conservatism // Agrochemie, 2008. №3. Р. 5-14 (in Russian)

Носовская И.И., Соловьев Г.А., Егоров В.Г. Влияние длительного систематического применения разщличных форм минеральных удобрений и навоза на накопление в почве и хозяйственной баланс Cd, Pb, Ni и Cr // Агрохимия, 2001. №1. С. 82-91.

Karpukhin A.I., Bushuev N.N. Effect of Fertilization on the Content of Heavy Metalsin Soils of Long-Tem Field Experiments // Агрохимия, 2007. №5. С. 76-84.

Alexander M. Aging, bioavailability and overestimation of Risk fromEnvironmental Pollutants. Journal Environmental Science & Technology, 2000. – Vol. 34. - № 20. P. 4259-4264.

Ribeiro E.S. Jr., Dias L.E., Alvares V.H.V., Mello J.W.V., Daniels W.L. Dynamicsof sulfur fractions in Brazilian soils submitted to consecutive harvests of sorghum // Soil Sci.Soc. Americ. J. 2001. V.65. №3. P.787-794.

Li S., Lin B., Zhow W. Soil organic sulfurmineralization in presense of growing plants under aerobic or waterlogged conditions // Soil Biol.Biochem. 2001. V.33. №6. P.721-727.

Ladonin D.V., Plyaskina O.V. Mechanisms of Cu (II). Zn (II) and Pb (II) Sorption by Soddy-Podzolic Soil // Почвоведение, 2004. №5. С. 537-545.

Saha U.K., Tanoguchi S., Sakurai K. Adsorption of Cadmium, Zinc and Lead on Hydroxyaluminum- and Hydroxyaluminosilicatemontmorollonite complexes // Soil Sci.Soc. Americ. J. 2001. V.65. №3. P.694-703.

Способ получения биогумуса. Патент RU №2339601. Опубл.27.11.2008. Авторы: Ручин А.Б. (RU), Ревин В.В. (RU).

Способ получения органо-минерального удобрения. Патент RU №2192403. Опубл. 10.11.2002. Авторы: Волчатова И.В. (RU), Медведева С.Л. (RU), Коломнец Э.И. (BY), Лобанюк А.Г. (BY).

Способ производства биогумуса с помощью красного калифорнийского червя и установка для реализации способа. Патент RU №2493139. Опубл. 20.09.2013. Авторы: Выгузова М.А., Касаткин В.В., Литвинюк Н.Ю., Выгузов И.Л., Линкевич А.С., Арсланов Ф.Р.

Bose P., Sharma A. Role of iron on controlling speciation and mobilization of arsenic in subsurface environment // Wat. Res. 2002. V.36. p.4916-4926

Яковлев А.С. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв // Почвоведение. – 2000. №1. С.70-79

Н. А. Донских. Гумусное состояние почв : материалы Межд. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения проф. Л. Н. Александровой / СПб. гос. аграр. ун-т; редкол.: И. Н. Донских и др. - СПб, 2008. - С. 4-12.

Евразийский патент № 026899 «Удобрительно-мелиорирующее средство». Авторы: Бекжанов М. А., Акбасова А.Д., Гузовский К.З., Саинова Г.А., Кудасова Д.Е. от 31.05.2017г.

Патент Республики Казахстан № «Комплексное органоминеральное мелиорант-удобрение». Авторы: Акбасова А.Д., Саинова Г.А., Исаков О.А., Бекжанов М.А., Аймбетова И.О.

Код для цитирования: Скопировать