Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
ЗАБЕГАЛОВ НИКОЛАЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПРИРОДНЫХ И МОДИФИЦИРОВАННЫХ
КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
В АГРОЭКОСИСТЕМЕ
Специальность 03.02.08 - экология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Балашиха - 2012
Работа выполнена на кафедре агрохимии и агроэкологии ФГБОУ ВПО
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия
Научный руководитель: | доктор сельскохозяйственных наук, профессор Титова Вера Ивановна |
Официальные оппоненты: | Мажайский Юрий Анатольевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Мещерский филиал Государственного научного учреждения ВНИИГиМ, главный научный сотрудник Мазиров Михаил Арнольдович доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева |
Ведущая организация: | Государственное научное учреждение Нижегородский научно-исследовательский институт сельского хозяйства |
Защита состоится 24 апреля 2012 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный заочный университет по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный заочный университет.
Автореферат разослан л20 марта 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Сойнова Ольга Леонидовна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современном земледелии актуальным является поиск путей повышения продуктивности агробиогеоценоза при оптимизации объемов использования минеральных удобрений и внедрении в систему почва-растение веществ, позволяющих стабилизировать урожайность, сохраняя высокое качество растительной продукции и ее безопасность для животных и человека. Одним из малоизученных в этом направлении факторов является использование кремнийсодержащих материалов природного происхождения, в частности, цеолитов и диатомитов, которые являются не только носителем одного из макроэлементов, необходимых растению для продуктивного органогенеза, но и реальной возможностью улучшения экологического состояния биогеоценоза за счет высокой способности этих материалов к сорбции различного рода веществ. В свою очередь, закрепление в твердой фазе этих материалов отдельных элементов позволяет снижать их миграционную способность по профилю почвы и избыточное накопление растениями, что весьма актуально не только для тяжелых металлов, но и для соединений, быстро и массово вымывающихся из почвы, например, некоторых форм биогенных элементов.
Немаловажным для агропромышленного комплекса страны является и готовность к применению в своем производстве удобрительных материалов, полученных с использованием элементов нанотехнологий. Такие вещества относятся к новому классу современных удобрений, удобрительная ценность и потенциальная опасность (или безопасность) которых должны быть выявлены в первую очередь. В связи с этим, изучение возможности использования в сельскохозяйственном производстве кремнийсодержащих материалов природного происхождения (цеолита, диатомита) и кремнийсодержащего препарата, модифицированного с помощью нанотехнологий, актуально в научном и прикладном плане.
Цель и задачи исследования. Основной целью исследований явилась оценка возможности использования кремнийсодержащих материалов в системе почва-растение как ресурсного фактора, позволяющего повысить урожайность культур при сохранении качества и безопасности компонентов агробиогеоценоза.
В задачи исследований входило:
- изучение влияния кремнийсодержащих природных и модифицированных материалов - цеолита, диатомита и нанопрепарата с кремнием - на урожайность яровой пшеницы, овса, гороха и картофеля;
- учёт отдельных показателей качества и безопасности основной растительной продукции при внесении материалов, содержащих кремний;
- оценка влияния кремнийсодержащих материалов на содержание и вынос надземной биомассой растений основных макроэлементов (азота, фосфора, калия и кремния);
- экологическая оценка природных кремнийсодержащих материалов по влиянию на агрохимические показатели почвы, ее устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами и транслокацию меди в растение;
- расчет эффективности использования минеральных удобрений и кремнийсодержащих материалов в агробиоценозе по окупаемости урожаем и коэффициенту биоаккумуляции кремния в продукции.
Предмет исследований - взаимодействия между био- и экотопом в структуре агробиогеоценоза; объект исследований - природные кремнийсодержащие материалы цеолит и диатомит, а также препарат, содержащий кремний в виде частиц нано- и микроразмеров.
Научная новизна. Впервые в условиях светло-серых лесных почв Нижегородской области проведено изучение эффективности использования природных кремнийсодержащих препаратов (диатомита и цеолита), а также модифицированного удобрения, в котором кремний представлен наноформой, в системе почва-растение на картофеле, зерновых (яровая пшеница, овес) и зернобобовых (горох) культурах.
Определено влияние препаратов на продуктивность агрофитоценоза, качество и безопасность сельскохозяйственной продукции в зависимости от способов их использования. Установлена оптимальная кратность разведения исходного раствора нанопрепарата при использовании его в агробиогеоценозе.
Произведена оценка влияния кремнийсодержащих материалов на агроэкологическое состояние (включая содержание тяжелых металлов и интенсивность дыхания) светло-серой лесной легкосуглинистой почвы, а также оценена способность цеолита к снижению подвижности металла при загрязнении почвы медью.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке современных технологий выращивания сельскохозяйственных культур с целью оптимизации применения традиционных минеральных удобрений, а также снижения негативного воздействия элементов, обладающих токсическим эффектом (ТМ) или повышенной миграционной способностью (биогенные элементы), на состояние агрофитоценоза и педосферу.
Основные положения работы используются в учебных курсах Нижегородской ГСХА в процессе преподавания дисциплин агрохимия, система применения удобрений, сельскохозяйственная экология, экотоксикология.
Основные защищаемые положения
- природные кремнийсодержащие материалы цеолит Хотынецкого месторождения Орловской области и диатомит Инзенского месторождения Ульяновской области при внесении их в почву положительно влияют на урожайность картофеля и яровой пшеницы, выращиваемых последовательно: прирост урожайности достигает 45 и 22% соответственно в прямом действии и последействии при урожайности на контроле (фон N120Р100К120) клубней картофеля 23,5 т/га, а зерна пшеницы 1,64 т/га;
- внесение цеолита и диатомита в почву способствует оптимизации состояния почвенного поглощающего комплекса, повышает обеспеченность ее подвижными соединениями фосфора и калия, приводит к снижению содержания подвижных форм тяжелых металлов и некоторому повышению интенсивности дыхания почвы;
- цеолит обладает способностью к детоксикации меди в системе почва-растение: его использование на загрязненной (2ПДК и 4ПДК) почве позволяет снизить содержание подвижных соединений меди в почве (на 42%) и степень подвижности меди (с 5-6 до 3% по отношению к валовому содержанию), а также концентрацию меди в растениях. Коэффициент биоаккумуляции меди при этом резко снижается в сравнении с неудобренной и незагрязненной почвой (с 4,3 до 1,4-1,8);
- применение в агроэкосистеме кремнийсодержащего препарата, полученного с использованием технологии модифицирования солей низкими концентрациями наночастиц, способствует повышению продуктивности фитоценоза (на 10-30% в зависимости от кратности разбавления нанопрепарата и способа его использования), увеличению содержания в почве актуальных форм кремния (на 10-20%) и коэффициента его использования, а также стимулирует усвоение растениями азота, фосфора и калия.
Апробация работы и основные публикации. Результаты исследований автора ежегодно заслушивались на конференциях аспирантов и научно-педагогических работников Нижегородской ГСХА, а также были доложены на международной научно-практической конференции Нетрадиционные источники и приёмы организации питания растений (г. Н. Новгород, 2011).
Общее количество опубликованных работ представлено 7 наименованиями, из них 3 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Личное участие в печатных работах составляет 1,23 усл. печ. листов.
Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, обзор литературы, 5 глав содержательной части, выводы. Она изложена на 151 страницах, содержит 49 таблиц, 3 рисунка и 10 приложений. Список литературы включает 285 наименований, в т.ч. 44 иностранных публикации. Работа выполнена в соответствии с комплексным тематическим планом научных исследований Нижегородской ГСХА (номер гос. регистрации темы 0120.0 805769).
Работа выполнена лично автором во время обучения в очной аспирантуре при кафедре. Разработка общей концепции и программы исследований проведена под руководством проф. Титовой В.И. В решении отдельных вопросов диссертационных исследований в разное время принимали участие преподаватели Дабахова Е.В., Гейгер Е.Ю. и студентка Шамаева М.С., что нашло отражение в опубликованных работах и которым автор выражает искреннюю благодарность.
Автор выражает глудокую признательность всему коллективу кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА за консультационную, организационную и моральную поддержку при проведении исследований и написании диссертационной работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Обзор литературы
На основании анализа литературы о значении кремния для создания урожая и формах нахождения его в почве сделан вывод о недостаточности экспериментально подтвержденных знаний по возможности более широкого использования природных кремнийсодержащих материалов в земледелии. Ставится задача описать количественно влияние кремнийсодержащих материалов не только на формирование урожая культурных растений, но оценить и их роль в оптимизации почвенного поглощающего комплекса и условий жизни почвенной биоты, активации содержания кремниевых соединений и сорбции отдельных токсикантов.
Глава 2. Объекты, условия и методы исследований
К объектам исследования в работе относятся 2 вида природных кремнийсодержащих материалов - цеолиты Хотынецкого месторождения Орловской области (полиминеральная агроруда с содержанием доступного кремния не менее 20%) и диатомиты Инзенского месторождения Ульяновской области (осадочная порода, включающая остатки кремнистых створок микроскопических водорослей, содержание аморфного кремния 42%), а также кремнийсодержащий препарат, полученный на основе технологии модифицирования солей низкими концентрациями наночастиц учеными Нижегородского ГУ им. Лобачевского в рамках проекта Green Lift (0,2% водная суспензия, содержащая молекулярные структуры в нанометровом диапазоне).
Исследование проведено путем постановки 1 полевого, 1 микрополевого и 6 вегетационных опытов. В опытах выращивали зерновые культуры - яровую пшеницу (Triticum aestivum L.) и овёс (Avena Sativa L.), зернобобовую культуру - горох (Pisum L.), а также картофель (Solarium tuberosum L.). Все опыты поставлены на светло-серой лесной легкосуглинистой почве, агрохимическая характеристика которой на момент закладки опытов приведена в табл. 1.
1. Агрохимическая характеристика почв
Опыты №№ | pHKCl | Гумус, % | Hг | S | V, % | P2O5 | K2O |
мг-экв./100 г почвы | мг/кг по Кирсанову | ||||||
Вегетационные опыты, НГСХА | |||||||
1, 2 | 5,4 | 2,0 | 2,3 | 12,2 | 84 | 295 | 130 |
3, 4, 5 | 5,5 | 2,1 | 2,3 | 12,1 | 84 | 127 | 105 |
7 | 4,8 | 2,2 | 1,4 | 10,8 | 88 | 118 | 97 |
Микрополевой опыт, НГСХА | |||||||
6 | 5,5 | 2,1 | 2,5 | 12,4 | 83 | 127 | 105 |
Полевой опыт, опытное поле учхоза НГСХА Новинки | |||||||
8 | 5,4 | 2,0 | 2,2 | 12,3 | 85 | 180 | 100 |
Погодные условия лет проведения исследований можно охарактеризовать так: вегетационные периоды 2008 и 2009 гг. - умеренно теплые, близкие к среднемноголетним данным по сумме осадков и среднемесячной температуре, а 2010 г. - жаркий и очень сухой, практически с полным отсутствием осадков в июле.
Схема вегетационных опытов №№1-4 по изучению влияния кремнийсодержащего нанопрепарата на продуктивность зерновой (яровая пшеница) и зернобобовой (горох) культур показана в табл. 2.
2. Схема опытов №№1-4, №8
№ | Содержание варианта | Сокращённое наз-вание варианта |
1 | N0,2P0,2K0,2 - фон | NPK - фон |
2 | Фон + Наноформа Si 1:5 (обработка семян) | Фон + Siос 1:5 |
3 | Фон + Наноформа Si 1:10 (обработка семян) | Фон + Siос 1:10 |
4 | Фон + Наноформа Si 1:15 (обработка семян) | Фон + Siос 1:15 |
5 | Фон + Наноформа Si 1:20 (обработка семян) | Фон + Siос 1:20 |
6 | Фон + Наноформа Si 1:5 (обработка семян + подкормка растений) | Фон + Siос+пр 1:5 |
7 | Фон + Наноформа Si 1:10 (обработка семян + подкормка растений) | Фон + Siос+пр 1:10 |
8 | Фон + Наноформа Si 1:15 (обработка семян + подкормка растений) | Фон + Siос+пр 1:15 |
9 | Фон + Наноформа Si 1:20 (обработка семян + подкормка растений) | Фон + Siос+пр 1:20 |
Опыты заложены в 3-кратной повторности в сосудах Митчерлиха на 5 кг почвы и дважды повторены во времени: опыт №1 - горох, опыт №2 - яровая пшеница 2008 года закладки; опыты №3 и №4 - соответственно закладки 2009 года. Для обработки семян или посевов использовали разбавление исходного раствора нанопрепарата дистиллированной водой с соотношением препарат : вода, кратность которого отражена в схеме: в варианте Si 1:5 на 1 часть исходного препарата (с 0,2% исходной концентрацией) взято 5 частей воды; в варианте Si 1:10 - на 1 часть препарата использовали 10 частей воды и т.д. Разведение препарата для обработки семян и внекорневой подкормки было одинаковым.
Схема двухлетнего вегетационного опыта № 5 по изучению влияния природного кремнийсодержащего материала цеолита на продуктивность зерновых культур и агроэкологическую характеристику почвы приведена в табл. 3.
3. Схема опыта №5
№ п/п | Содержание варианта | Сокращённое название варианта |
1 | Контроль, без удобрений | Контроль |
2 | Цеолит, из расчета 2 г физ. массы на 1 кг почвы | Цеолит |
3 | NPK по 0,25 г д.в. каждого элемента на 1 кг почвы | NPK |
4 | N0,25P0,25K0,25 + Цеолит, 2 г/кг | NPK + Цеолит |
Исследование проведено в 2009-2010 гг. в сосудах Вагнера на 10 кг почвы, в 4х-кратной повторности. Цеолит и минеральные удобрения внесены в почву 1 раз при набивке сосудов, в 2009 г.. Первой культурой в опыте была яровая пшеница, после уборки которой сосуды были оставлены на хранение до следующего года. Весной 2010 г. сосуды были перебиты и в ту же почву, без добавления удобрений, высеяли вторую, последовательно выращиваемую культуру - овес.
Микрополевой двухлетний опыт № 6. Сравнительная оценка действия кремнийсодержащих материалов цеолита, диатомита и нанопрепарата. Схема опыта приведена в табл. 4.
4. Схема опыта №6
№ | Содержание варианта | Сокращённое название |
1 | N120P100K120 - фон | NPK - фон |
2 | Фон + Цеолит (обработка клубней), 25 г/кг | Фон + Цеолит-С |
3 | Фон + Диатомит (обработка клубней), 25 г/кг | Фон + Диатомит-С |
4 | Фон + наноформа Si (обработка клубней) | Фон + Si нано-С |
5 | Фон + Цеолит в почву, 100 г/м2 | Фон + Цеолит-П |
6 | Фон + Диатомит в почву, 100 г/м2 | Фон + Диатомит-П |
Опыт заложен в 2009 г., в 4х-кратной повторности, площадь делянки 1 м2, расположение делянок рендомизированное. Дозы минеральных удобрений составили 120, 100 и 120 кг азота, фосфора и калия на 1 га почвы. Дозы диатомита и цеолита при внесении в почву составляли 1 т/га, а при опудривании клубней - 30 кг/т посадочного материала. Для обработки клубней нанопрепаратом использовали раствор с разведением 1:15. Все удобрения внесены единовременно. В год закладки весной был посажен картофель, после уборки которого почву перекопали; в 2010 г. без дополнительного внесения удобрений была высеяна яровая пшеница. Весной 2011 г. отобраны образцы почвы для проведения анализов.
Схема вегетационного опыта № 7 по изучению детоксикологических свойств цеолита при загрязнении почвы медью показана в табл. 5.
5. Схема опыта №7
№ | Содержание варианта | Сокращённое название |
1 | NPK - фон из расчета по 0,2 г д.в-ва/кг | NPK - фон |
2 | NPK + Сu 2ПДК (132 мг Сu на 1 кг) | NPK + Сu 2ПДК |
3 | NPK + Сu 4ПДК (264 мг Сu на 1 кг) | NPK + Сu 4ПДК |
4 | NPK + Цеолит, 4 г/кг почвы | NPK + Ц |
5 | NPK + Цеолит + Сu 2ПДК (132 мг Сu на 1 кг) | NPK + - + Сu 2ПДК |
6 | NPK + Цеолит + Сu 4ПДК (264 мг Сu на 1 кг) | NPK + - + Сu 4ПДК |
Опыт заложен в 2010 г. в 4х-кратной повторности. Медь вносили в виде сульфата, учитывая ОДК для данной почвы (66 мг на 1 кг почвы).
Двухлетний полевой опыт № 8 по изучению влияния кремнийсодержащего нанопрепарата на продуктивность зерновых культур
Опыт заложен в 2009 г. в 4х-кратной повторности, по схеме вегетационных опытов №1-4. Доза внесения удобрений - N60Р40К40. Кремнийсодержащий нанопрепарат использовали в тех же концентрациях, что и в вегетационном опыте. Первой культурой в опыте была яровая пшеница, под которую были внесены макроудобрения. На второй год (2010 г.) на делянках опыта был высеян овес, на котором изучали действие кремнийсодержащего нанопрепарата на фоне последействия минеральных удобрений. Размер делянки составил 48 м2 (6х8), учетная площадь 28 м2, расположение делянок - двухрядное последовательное.
Анализ почвенных и растительных образцов выполнен в лабораториях кафедры агрохимии и агроэкологии НГСХА по методам: рН солевой вытяжки по ГОСТ 26483-85, гидролитическая кислотность - ГОСТ 26212-91, сумма поглощённых оснований - ГОСТ 27821-88, содержание органического вещества - ГОСТ 26213-91, подвижные соединения фосфора и калия - ГОСТ 26207-91, содержание кремния - спектрофотометрически по Барсуковой, валовые и подвижные формы меди в почвенных вытяжках 5М HNO3 (при кипячении) и ацетатно-аммонийного буфера (рН 4,8) с последующим определением на атомно-абсорбционном спектрофотометре ААС-3 (РД 52.18.191-89); содержание азота, фосфора и калия в растительных образцах - ГОСТ 10846-64, 26657-97 и 30504-97 соответственно, масса 1000 зерен - ГОСТ 10842-89, сырая клейковина - ГОСТ 26574-85, сырой протеин - расчетным методом с использованием переводных коэффициентов, содержание сухого вещества - весовым методом, крахмал - по методу Эверса, клетчатка - по методу Кюршнера и Ганека в модификации Петербургского, витамина С - титриметрическим методом по Плешкову. Математическая обработка результатов исследований проведена методом дисперсионного анализа по Доспехову с использованием программного обеспечения Microsoft Office Excel 2007.
Глава 3. Влияние модифицированных кремнийсодержащих материалов
на продуктивность культурных растений
Кремний - один из биогенных элементов, определяющих структуру соединительной ткани и играющий существенную роль в метаболизме растений не только как ресурсный фактор, но и как важнейшее условие жизни. С учетом этого в современных технологиях выращивания культур, наравне со многими удобрительными материалами, в последние годы все активнее используются вещества, которые можно отнести к биопрепаратам нового поколения - активизированные наночастицами препараты, содержащие кремний.
3.1. Исследования в вегетационных опытах
В опытах использовали 2 культуры - горох (табл.6) и яровую пшеницу (табл.7).
6. Влияние кремнийсодержащего нанопрепарата на урожайность гороха,
г/сосуд, среднее за 2008-2009 гг.
Варианты опыта | Общая надземная масса | Зерно | ||||
урожай- ность / * | прибавка отЕ | урожай ность / * | прибавка отЕ | |||
А | В | А | В | |||
NPK - фон | 31,2 | - | - | 10,3 | - | - |
Фон + Siос 1:5 | 33,4 / 7 | 2,2 | - | 10,6 / 3 | 0,3 | - |
Фон + Siос 1:10 | 36,6 / 17 | 5,4 | - | 11,0 / 7 | 0,7 | - |
Фон + Siос 1:15 | 31,9 / 2 | 0,7 | - | 10,8 / 5 | 0,5 | - |
Фон + Siос 1:20 | 32,5 / 4 | 1,3 | - | 12,0 / 17 | 1,7 | - |
Фон + Siос + пр 1:5 | 32,8 / 5 | - | -0,6 | 11,4 / 11 | - | 0,8 |
Фон + Siос + пр 1:10 | 38,7 / 24 | - | 2,1 | 13,2 / 28 | - | 2,2 |
Фон + Siос + пр 1:15 | 46,7 / 50 | - | 14,8 | 13,0 / 26 | - | 2,2 |
Фон + Siос + пр 1:20 | 44,8 / 44 | - | 12,3 | 13,5 / 31 | - | 1,5 |
НСР05 | 1,3 | 0,7 | 1,1 | 0,9 | 0,4 | 0,5 |
Здесь и далее в главе: А - прибавка от обработки семян препаратом; В - прибавка от внекорневой подкормки растений препаратом; * - прибавка к урожайности на контроле, %
7. Влияние кремнийсодержащего нанопрепарата на урожайность яровой
пшеницы, г/сосуд, среднее за 2008-2009 гг.
Варианты опыта | Зерно | Солома | Соотношение зерно : солома | ||||
урожай- ность/ * | прибавка отЕ | урожай- ность / * | прибавка отЕ | ||||
А | В | А | В | ||||
1.NPK - фон | 15,7 | - | - | 18,3 | - | - | 1:1,17 |
2.Фон + Siос 1:5 | 16,4 / 4 | 0,7 | - | 22,3 / 22 | 4,0 | - | 1:1,36 |
3.Фон + Siос 1:10 | 16,1 / 3 | 0,4 | - | 20,3 / 11 | 2,0 | - | 1:1,26 |
4.Фон + Siос 1:15 | 16,0 / 2 | 0,3 | - | 19,9 / 9 | 1,6 | - | 1:1,24 |
5.Фон + Siос 1:20 | 15,8 / 1 | 0,1 | - | 18,8 / 3 | 0,5 | - | 1:1,19 |
6.Фон + Siос + пр 1:5 | 17,7 / 13 | - | 1,3 | 21,8 / 19 | - | -0,5 | 1:1,23 |
7.Фон + Siос + пр 1:10 | 16,1 / 3 | - | 0,0 | 21,3 / 16 | - | 1,0 | 1:1,32 |
8.Фон + Siос + пр 1:15 | 16,6 / 6 | - | 0,6 | 21,5 / 17 | - | 1,6 | 1:1,30 |
9.Фон + Siос + пр 1:20 | 15,9 / 1 | - | 0,1 | 19,7 / 8 | - | 0,9 | 1:1,24 |
НСР05 | 1,0 | 0,4 | 0,7 | 1,8 | 0,8 | 1,3 | - |
Установлено, что максимальные прибавки урожайности зерна гороха, равные между собою и достоверно отличающиеся от других вариантов, получены на вариантах с совместной обработкой семян и вегетирующих растений препаратом с кратностью разбавления 1:10-1:20. Уровень урожайности семян на вариантах с однократным применением препарата (замачивание семян) ниже, чем при двухкратной обработке. Наибольший эффект от обработки семян нанопрепаратом получен при самой низкой концентрации рабочего раствора - вар. 5.
На урожайность яровой пшеницы препарат в целом повлиял положительно, что, однако, не на всех вариантах подтверждается результатами статистической обработки. Установлено, что вариант с наибольшей дозой кремния при двухкратном его внесении дает прибавки урожайности зерна пшеницы больше (13%), чем при однократном применении препарата (4%). При этом лишь на варианте с соотношением препарат : вода как 1:5 при двухкратном применении кремнийсодержащего вещества наблюдается достоверная прибавка урожайности зерна.
Наблюдения за качеством основной продукции культур показали следующее. Кремнийсодержащий препарат способствует накоплению азотсодержащих органических соединений в зерне гороха и пшеницы: прибавка содержания белка на большинстве вариантов достоверно выше, чем на контроле, хотя четкой зависимости между внесением препарата и содержанием белка не отмечено. Лучшими являются варианты с совместной обработкой семян и посевов раствором препарата с кратностью разбавления 1:5 - 1:10. На накопление крахмала препарат оказывает меньшее влияние, показывая в основном тенденцию его повышения.
Использование кремнийсодержащего препарата в наноформе стимулирует движение основных элементов питания в системе почва-растение и их усвоение надземной биомассой, вследствие чего повышаются содержание и вынос азота, фосфора и калия растительной продукцией.
Для сохранения свойственного каждой конкретной территории баланса кремния в системе почва-растение необходимо иметь представление о реально складывающихся в агроэкосистеме условиях его потребления растениями и способности почвы удовлетворять эти потребности. Для оценки последнего (способности почвы поддерживать баланс кремния в почве при выращивании на ней кремниефилов) рассчитывают отношение концентрации кремния в растениях к содержанию кремния в почве (коэффициент биоаккумуляции). Результаты подобных расчетов для зерновой культуры (яровой пшеницы) приведены в табл. 8, а для зернобобовой культуры (гороха) - в табл. 9.
8. Коэффициенты использования и биоаккумуляции кремния
товарной и побочной продукцией яровой пшеницы, 2009 г., опыт №4
Варианты опыта | Вынос надземной массой, мг/сосуд | Ки Si надземной фито-массой, % | Коэффициенты биоаккумуляции Si продукцией (Кб) по отношению к содержанию активной формы кремния в почве | ||
по варианту | +, - к фону | ||||
зерно | солома | ||||
1.NPK - фон | 178 | - | 12 | 17 | 24 |
2.Фон + Siос 1:5 | 211 | 33 | 12 | 16 | 22 |
3.Фон + Siос 1:10 | 194 | 16 | 12 | 15 | 23 |
4.Фон + Siос 1:15 | 188 | 10 | 12 | 17 | 23 |
5.Фон + Siос 1:20 | 179 | 1 | 11 | 16 | 23 |
6.Фон + Siос + пр 1:5 | 236 | 58 | 13 | 17 | 23 |
7.Фон + Siос + пр 1:10 | 219 | 41 | 12 | 17 | 23 |
8.Фон + Siос + пр 1:15 | 211 | 32 | 12 | 16 | 23 |
9.Фон + Siос + пр 1:20 | 193 | 15 | 12 | 16 | 23 |
9. Коэффициенты использования и биоаккумуляции кремния
товарной и побочной продукцией гороха, 2009 г., опыт №3
Варианты опыта | Вынос надземной массой, мг/сосуд | Ки Si надземной фито-массой, % | Коэффициенты биоаккумуляции Si продукцией (Кб) по отношению к содержанию активной формы кремния в почве | ||
по варианту | +, - к фону | ||||
зерно | солома | ||||
1.NPK - фон | 150 | - | 9 | 14 | 18 |
2.Фон + Siос 1:5 | 169 | 19 | 8 | 12 | 15 |
3.Фон + Siос 1:10 | 196 | 46 | 10 | 12 | 23 |
4.Фон + Siос 1:15 | 158 | 8 | 8 | 12 | 23 |
5.Фон + Siос 1:20 | 166 | 16 | 8 | 12 | 14 |
6.Фон + Siос + пр 1:5 | 175 | 25 | 8 | 12 | 15 |
7.Фон + Siос + пр 1:10 | 232 | 82 | 11 | 12 | 15 |
8.Фон + Siос + пр 1:15 | 249 | 99 | 11 | 11 | 14 |
9.Фон + Siос + пр 1:20 | 234 | 84 | 11 | 12 | 15 |
Расчеты показали, что общий вынос кремния надземной биомассой и размах прибавок выноса кремния в зависимости от обработки посевов кремнийсодержащим нанопрепаратом разных концентраций для гороха много выше, чем для яровой пшеницы: вынос достигал 249 и 236 мг/сосуд, а прибавки выноса кремния - 99 и 58 мг/сосуд соответственно. Однако коэффициент использования кремния был однозначно выше у яровой пшеницы (11-13%), чем у гороха (8-11%).
Отмеченные особенности поглощения кремния растениями подтверждаются и расчетом коэффициента биоаккумуляции. Он показывает, что яровая пшеница более активно использует запасы доступного кремния в почве (коэффициент биоаккумуляции достигает 16-23), чем горох (коэффициент биоаккумуляции 11-15).
3.2. Исследования в полевых условиях
Прямое действие препарата изучали в 2009 году на яровой пшенице (опыт №7а), а последействие - на овсе (опыт №7б, 2010 г.). Урожайность зерна и соломы культур показана в таблице 10.
10. Влияние нанопрепарата, содержащего кремний,
на урожайность надземной биомассы зерновых культур
Варианты опыта | Яровая пшеница | Овёс | В среднем за 1 год | При-бав- ка* | |||
зерно: солома | биомасса, т. з. ед./га | зерно: солома | биомасса, т. з. ед./га | биомасса, т. з. ед./га | +,- к фону, % | ||
1.NPK - фон | 1:2,13 | 3,20 | 1:2,21 | 2,52 | 2,86 | - | - |
2.Фон + Siос 1:5 | 1:2,18 | 3,77 | 1:2,20 | 2,66 | 3,22 | 13 | 0,36 |
3.Фон + Siос 1:10 | 1:2,16 | 4,30 | 1:2,24 | 3,05 | 3,68 | 29 | 0,82 |
4.Фон + Siос 1:15 | 1:2,20 | 4,27 | 1:2,22 | 2,95 | 3,61 | 26 | 0,75 |
5.Фон + Siос 1:20 | 1:2,20 | 4,05 | 1:2,22 | 2,93 | 3,49 | 22 | 0,63 |
6.Фон + Siос+пр 1:5 | 1:2,21 | 3,67 | 1:2,26 | 2,65 | 3,16 | 10 | -0,06 |
7.Фон + Siос+пр 1:10 | 1:2,35 | 4,22 | 1:2,28 | 3,03 | 3,62 | 27 | -0,06 |
8.Фон + Siос+пр 1:15 | 1:2,39 | 4,99 | 1:2,31 | 3,36 | 4,17 | 46 | 0,56 |
9.Фон + Siос+пр 1:20 | 1:2,31 | 4,92 | 1:2,28 | 3,24 | 4,08 | 43 | 0,59 |
НСР05 | - | 0,32 | - | 0,27 | 0,22 | - | - |
* - для вариантов 2-5 - прибавка от обработки семян (по отношению к фону), т з.ед./га;
для вар. 6-9 - прибавка от внекорневой подкормки растений нанопрепаратом с кремнием
Установлено, что нанопрепарат, содержащий кремний, положительно влияет на продуктивность яровой пшеницы и овса. Максимальные и достоверные прибавки урожайности по обеим культурам при обработке семян получены на вариантах с максимальной концентрацией препарата, а при совмещении обработки семян и обработки вегетирующих растений - на вариантах с максимальным разведением рабочего раствора. Сочетание предпосевной обработки семян с внекорневой подкормкой вегетирующих растений наиболее эффективно и позволяет повысить урожайность зерна на 33 и 31 % соответственно для яровой пшеницы и овса при общем повышении выноса кремния надземной биомассой культур. На содержание кремния в почве использование кремнийсодержащего нанокомпозитного комплекса оказывает слабое влияние, и только лишь на содержание актуального кремния, не изменяя запаса его потенциальных форм.
Глава 4. Влияние природного кремнийсодержащего материала цеолита
на продуктивность зерновых культур
и агроэкологическую характеристику почвы
В зависимости от месторождения минералогический и химический состав цеолитов сильно разнится, что в каждом конкретном случае предопределяет проведение исследований для установления эффективности их использования.
4.1. Урожайность и качество продукции яровой пшеницы и овса,
возделываемых последовательно
Учитывая способность цеолитов к пролонгации своего действия на почву и растения, данный вегетационный опыт был запланирован как двухлетний с последовательным выращиванием яровой пшеницы (2009 г., опыт №5а, прямое действие цеолита) и овса (2010 г., опыт №5б, последействие цеолита). Урожайные данные культур приведены в табл. 11.
11. Влияние цеолита на урожайность надземной массы
зерновых культур, г/сосуд
Варианты опыта | Яровая пшеница | Овес | ||||||||
зерно | солома | Зерно: солома | зерно | солома | Зерно: солома | |||||
г/сосуд | %, * | г/сосуд | %, * | г/сосуд | %, * | г/сосуд | %, * | |||
1.Контроль | 4,7 | - | 4,9 | - | 1:1,04 | 3,3 | - | 9,6 | - | 1:2,91 |
2.Цеолит | 6,5 | 38 | 7,7 | 57 | 1:1,19 | 5,6 | 70 | 12,1 | 26 | 1:2,16 |
3.NPK | 18,1 | 285 | 37,6 | 667 | 1:2,08 | 4,2 | 27 | 12,4 | 29 | 1:2,95 |
4.NPK+Цеолит | 20,0 | 326 | 40,8 | 733 | 1:2,04 | 6,5 | 97 | 16,1 | 68 | 1:2,43 |
НСР05 | 2,3 | - | 4,1 | - | - | 1,0 | - | 2,3 | - | - |
* - прибавка к контролю, %
Сразу после внесения цеолита в почву, как в чистом виде (вар. 2), так и по фону минеральных удобрений (вар. 4 в сравнении с вар. 3), он дает лишь тенденцию повышения урожайности зерна и соломы яровой пшеницы, но не математически доказательную прибавку. Внесение под пшеницу минерального удобрения высокоэффективно: более чем в 3 раза повышает сбор зерна и почти в 8 раз - соломы. Однако в последействии на овсе минеральные удобрения были неэффективны, а цеолит дал достоверную прибавку урожайности основной и побочной продукции на обоих вариантах с его внесением.
Судя по соотношению зерно:солома, на долю зерна в биомассе яровой пшеницы приходится значительно большая часть, чем у овса. Применение цеолита в последействии приводит к снижению массы соломы на фоне увеличения массы зерна овса. Применение цеолита без минеральных удобрений положительно влияет на массу 1000 зерен, но никак не сказывается на содержании протеина и крахмала в зерне пшеницы и овса. Последействие совместного внесения минеральных удобрений и цеолита дает достоверное повышение массы 1000 зерен и содержания крахмала в зерне овса.
4.2. Оценка способности цеолита к детоксикации
загрязненных почв
Изучение способности цеолита к снижению токсичности почвы выполнено в вегетационном опыте №7. Результаты учета урожайности надземной биомассы овса и ее качества приведены в табл. 12. Согласно им, токсичность меди при формировании биомассы овса проявляется лишь при внесении в почву такого ее количества, которое соответствует загрязнению на уровне 4ПДК, вследствие чего урожайность зеленой массы достоверно снижается.
12. Влияние цеолита на урожайность, качество и безопасность зеленой массы
овса, выращиваемой на почве, загрязненной медью
Варианты опыта | Урожайность | Клетчатка, % | NО3, мг/кг | ||||
сред- нее | прибавка к Е | сред- нее | +,- к фону | сред- нее | +,- к фону | ||
г/сосуд*** | %*** | ||||||
1.NPK - фон | 64,5 | - | - | 28,4 | - | 107 | - |
2.NPK + Сu 2ПДК | 65,7 | 1,2 | 2 | 28,7 | 0,3 | 86 | -21 |
3.NPK + Сu 4ПДК | 58,9 | -5,6 | -9 | 29,9 | 1,5 | 90 | -17 |
4.NPK + Ц | 67,5 | 3,0 / 3,0 | 5 / 5 | 28,1 | -0,3 | 90 | -17 |
5.NPK+Сu 2ПДК + Ц | 70,1 | 5,6 / 4,4 | 9 / 7 | 26,9 | -1,5 | 80 | -27 |
6.NPK+Сu 4ПДК + Ц | 62,8 | 1,7 / 3,9 | 3 / 7 | 29,3 | 0,9 | 86 | -21 |
НСР05 | 3,5 | - | 27** | - | 500* | - | |
* - ПДК для зеленой массы зерновых культур; ** - норма содержания для зеленой массы зернофуражных куль-тур; *** - в числителе - по отношению к фону; в знаменателе - по отношению к варианту без внесения цеолита
Применение цеолита на удобренной и незагрязненной почве в прямом действии на урожайности не сказывается, хотя отмечена видимая тенденция ее повышения. Использование же цеолита на почве с уровнем загрязнения в 2ПДК существенно повышает урожайность овса, причем не только по отношению к фону, но и в сравнении с вар. 2, отличающемся от анализируемого (вар. 5) лишь присутствием в почве цеолита. На варианте с максимальным загрязнением (4ПДК) получена урожайность овса на уровне контроля (фон NРК). Однако нельзя не отметить, что применение цеолита на этом варианте (вар. 6) доказательно повышает урожайность овса в сравнении с аналогичным вариантом, но без внесения кремнийсодержащего материала (вар. 3), что свидетельствует о способности цеолита снижать негативное действие токсикантов.
Результаты определения содержания меди в почве опыта после уборки зеленой массы овса приведены в табл. 13.
13. Влияние цеолита на содержание меди в почве, мг/кг
Варианты опыта | Валовые формы | Подвижные формы | Сuподв. % | ||
среднее | +,- к фону* | среднее | +,- к фону* | ||
1. NPK - фон | 5,1 | - | 0,6 | - | 12 |
2. NPK + Сu 2ПДК | 115,0 | 109,9 | 6,4 | 5,8 | 6 |
3. NPK + Сu 4ПДК | 239,9 | 234,8 | 10,8 | 10,2 | 5 |
4. NPK + Ц | 5,3 | 0,2 / 4 | 0,7 | 0,1 / 17 | 13 |
5. NPK + Сu 2ПДК + Ц | 114,2 | 109,1 / -1 | 3,7 | 3,1 / -42 | 3 |
6. NPK + Сu 4ПДК + Ц | 228,7 | 223,6 / -5 | 6,3 | 5,7 / -42 | 3 |
ПДК (ОДК) | 66 | 3 | - | ||
Фон | 9,2 | 0,3 | - | ||
* - в числителе - по отношению к фону, в знаменателе - по отношению к варианту без внесения цеолита, %;
** - фон, установленный для Правобережья Нижегородской области
Установлено, что при исходно низком содержании меди в почве на момент закладки опыта (5,4 и 0,7 мг/кг соответственно валовое содержание и подвижные формы), применение цеолита никак не сказалось ни на валовом содержании, ни на обеспеченности почвы доступными растениям формами данного элемента. Использование цеолита на умеренно загрязненной медью почве не повлияло на валовые запасы, но почти вдвое (на 42%) снизило содержание подвижных соединений меди в почве. При этом снизилась и доля подвижных соединений: с 5-6% от валового содержания на загрязненных медью вариантах без внесения цеолита (вар. 2, 3) до 3% - при внесении цеолита (вар. 5, 6).
Данные по определению содержания меди в надземной биомассе и выносу ее с отчуждаемой из системы почва-растение продукцией приведены в табл. 14.
14. Влияние цеолита на аккумуляцию меди в растениях, сухое вещество
Варианты опыта | Содержание, мг/кг | Вынос, мг/сосуд | КБП | ||
среднее | +,- к фону* | среднее | +,- к фону* | ||
1. NPK - фон | 2,4 | - | 0,04 | - | 4,0 |
2. NPK + Сu 2ПДК | 7,9 | 5,5 | 0,13 | 0,09 | 1,2 |
3. NPK + Сu 4ПДК | 10,3 | 7,9 | 0,15 | 0,11 | 1,0 |
4. NPK + Ц | 3,0 | 0,6 / 25 | 0,05 | 0,01 | 4,3 |
5. NPK + Сu 2ПДК + Ц | 6,7 | 4,3 / -15 | 0,12 | 0,08 | 1,8 |
6. NPK + Сu 4ПДК + Ц | 8,9 | 6,5 / - 14 | 0,14 | 0,10 | 1,4 |
Примечание: КБП - отношение содержания меди в растениях, мг/кг, к содержанию в почве
подвижных соединений меди, мг/кг; относит. ед.; * - в числителе - по отношению к фону,
в знаменателе - по отношению к варианту без внесения цеолита; %.
Исследования показали, что использование цеолита на загрязненных почвах (вар. 5, 6) способствует значительному снижению содержания меди в надземной биомассе - на 14-15% по сравнению с исходной загрязненной почвой (вар. 2, 3). Применение же цеолита на незагрязненной почве, с невысокой исходной обеспеченностью подвижными соединениями меди, стимулирует поглощение растениями меди, на 25% повышая ее содержание в культуре и общий вынос меди с урожаем надземной массы.
Оценка почвы и полученной продукции по содержанию меди позволила рассчитать коэффициент биоаккумуляции или биологического поглощения (КБП). Максимальным он был на вариантах без внесения меди (вар. 1 и 3), причем использование цеолита на таких почвах способствовало некоторому увеличению КБП - с 4,0 (вар. 1) до 4,3 единиц (вар. 3). Загрязнение почвы на уровне 2ПДК привело к резкому снижению коэффициента биоаккумуляции, а загрязнение на уровне 4ПДК стимулировало защитные функции организма и привело к дополнительному снижению КБП до 1,0. Использование цеолита на загрязненных почвах, при общем снижении выноса меди с урожаем, позволило поднять КБП и несколько приблизить его к значению, свойственному незагрязненным почвам.
Глава 5. Сравнительная оценка действия кремнийсодержащих материалов
цеолита, диатомита и нанопрепарата
Учитывая, что, кроме злаковых, к группе культур, наиболее отзывчивых на кремниевые удобрения, относится картофель, в этой части исследования использовали 2 последовательно выращиваемые в стационарном опыте (№8) культуры - картофель и яровая пшеница.
Результаты учета урожая картофеля, выращиваемого по фону минеральных удобрений, и яровой пшеницы (последействие удобрений), приведены в табл. 15.
15. Влияние кремнийсодержащих материалов на урожайность культур
Варианты опыта | Картофель, 2009 г. | Яровая пшеница, 2010 г. | ||||||
клуб-ни,т/га | надземная биомасса | клубни: ботва | зер- но, т/га | надземная биомасса | Зерно: солома | |||
т/га | %, * | т/га | %, * | |||||
1.NРК - фон | 23,5 | 11,0 | - | 1:0,47 | 1,64 | 1,99 | - | 1:1,21 |
2.Фон + Цеолит-С | 26,8 | 12,9 | 17 | 1:0,48 | 1,82 | 2,58 | 30 | 1:1,42 |
3.Фон+Диатомит-С | 26,4 | 13,2 | 20 | 1:0,50 | 1,79 | 2,63 | 32 | 1:1,47 |
4.Фон + Si нано-С | 27,9 | 13,4 | 22 | 1:0,48 | 1,70 | 2,13 | 7 | 1:1,25 |
5.Фон+Цеолит-П | 31,3 | 17,2 | 56 | 1:0,55 | 2,01 | 3,05 | 53 | 1:1,52 |
6.Фон+Диатомит-П | 35,0 | 15,8 | 44 | 1:0,45 | 1,98 | 2,99 | 50 | 1:1,51 |
НСР05 | 1,4 | 1,0 | - | - | 0,22 | 0,93 | - | - |
* - прибавка к фону, %
Данные показывают, что кремнийсодержащие препараты при внесении их в почву обладают статистически доказательным положительным действием на первой культуре (картофель) и существенным последействием на второй культуре (яровая пшеница), повышая урожайность основной продукции на 30-45% в прямом действии и на 20-22% в последействии. Использование цеолита и диатомита для предпосадочного опудривания клубней картофеля было эффективным, математически достоверным и равным, но не сказалось на урожайности яровой пшеницы. Применение для обработки клубней нанокомпозитного комплекса, содержащего кремний, способствовало повышению урожайности картофеля и не влияло на урожайность яровой пшеницы.
Все кремнийсодержащие материалы оказали позитивное влияние на качество основной продукции картофеля и яровой пшеницы. Кремний способствовал увеличению содержания азота, фосфора и калия в опытных культурах. Наиболее высокое их содержание выявлено в варианте с нанокомпозитным комплексом, содержащим кремний.
С целью контроля изменений агроэкологического состояния почвы в микрополевом стационарном опыте №5 проводили наблюдения за динамикой агрохимических показателей (табл. 16), содержания в почве кремния (табл. 17), подвижных форм тяжелых металлов и одного из интегральных показателей биологического состояния почвы - дыхания почвенной микробиоты (табл. 18).
Через 2 года после начала опыта на варианте с фоновым внесением минеральных удобрений агрохимические показатели почвы изменились незначительно. Внесение кремнийсодержащих материалов путем нанесения их на семена картофеля или пшеницы не сказалось ни на характеристике питательных свойств почвы (содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия), ни на характеристике почвенного поглощающего комплекса. И только внесение цеолита и диатомита в почву привело к достоверному повышению содержания подвижных фосфатов и калия, значительному снижению кислотности почвы и некоторому повышению степени насыщенности основаниями.
16. Динамика агрохимических показателей светло-серой лесной
легкосуглинистой почвы, опыт №5
Варианты опыта | Гумус, % | pHKCl | Нг | S | V, % | Р2О5 | К2О |
мг-экв./100 г | мг/кг* | ||||||
Май 2009 г. | 2,1 | 5,5 | 2,5 | 12,4 | 83 | 127 | 105 |
июнь, 2011 г. | |||||||
1. NРК - фон | 2,1 | 5,5 | 2,0 | 13,4 | 87 | 136 | 129 |
2. Фон + Цеолит-С | 2,1 | 5,6 | 1,9 | 13,7 | 88 | 129 | 135 |
3. Фон +Диатомит-С | 2,1 | 5,6 | 1,9 | 13,7 | 88 | 139 | 132 |
4. Фон + Si нано-С | 2,1 | 5,5 | 2,0 | 13,5 | 87 | 118 | 135 |
5. Фон + Цеолит-П | 2,1 | 5,9 | 1,7 | 15,5 | 90 | 164 | 141 |
6. Фон + Диатомит-П | 2,1 | 6,0 | 1,8 | 15,9 | 90 | 155 | 134 |
НСР05 | 0,2 | 0,2 | 0,4 | 1,3 | - | 12 | 12 |
17. Влияние кремнийсодержащих материалов
на содержание кремния в почве, мг/кг
Варианты опыта | Формы подвижного кремния | ||||||||
актуальный | потенциальный | активный | |||||||
среднее, мг/кг | к контролю | среднее, мг/кг | к контролю | среднее, мг/кг | к контролю | ||||
мг/кг | % | мг/кг | % | мг/кг | % | ||||
Май 2009 г. | 19 | - | - | 148 | - | - | 338 | - | - |
июнь, 2011 г. | |||||||||
1.NРК - фон | 24 | - | - | 174 | - | - | 414 | - | - |
2.Фон + Цеолит-С | 32 | 8 | 33 | 185 | 11 | 6 | 505 | 91 | 22 |
3.Фон +Диатомит-С | 35 | 11 | 46 | 188 | 14 | 8 | 538 | 124 | 30 |
4.Фон + Si нано-С | 27 | 3 | 13 | 184 | 10 | 6 | 454 | 40 | 10 |
5.Фон + Цеолит-П | 48 | 24 | 100 | 200 | 26 | 15 | 700 | 286 | 69 |
6.Фон + Диатомит-П | 55 | 31 | 129 | 206 | 32 | 18 | 756 | 342 | 83 |
НСР05 | - | 12 | - | - | 21 | - | - | ||
Данные свидетельствуют, что наибольшее влияние изучаемые удобрения оказали на содержание актуального кремния в почве. За 2 года нахождения цеолита и диатомита в почве они способствовали увеличению содержания наиболее доступной для растений части почвенных кремниевых соединений в 2 и более раз. Внесение нанопрепарата с содержанием кремния путем нанесения его на семена культур было неэффективным. Достоверное повышение содержания потенциально доступных растениям соединений кремния зафиксировано на вариантах с внесением цеолита и диатомита в почву - на 15-18% по отношению к варианту с внесением полного минерального удобрения и на 35% в сравнении с содержанием таких форм кремния на момент начала опыта.
Учитывая, что опыт заложен на почве с содержанием тяжелых металлов много ниже предельно допустимых концентраций, ожидать дальнейшего снижения их содержания было маловероятно. Тем не менее, использование цеолита и диатомита в почву через 2 года после их внесения заметно снизило содержание подвижных соединений биофильных элементов цинка, меди и никеля, но несколько увеличило содержание в почве кадмия и свинца. Все изменения, однако, не выходят за пределы ПДК и фонового содержания металлов, отмечаемого для территории, где проводились исследования.
18. Влияние кремнийсодержащих материалов
на дыхание почвы и содержание подвижных форм тяжелых металлов
Варианты опыта | Содержание ТМ, мг/кг | Дыхание почвы | |||||
Cd | Pb | Zn | Cu | Ni | мгСО2/10г/сут | оценка* | |
Май 2009 г. | 0,10 | 0,49 | 0,53 | 0,21 | 0,73 | 1,87 | очень слабое |
июнь, 2011 г. | |||||||
1.NРК - фон | 0,11 | 0,54 | 0,52 | 0,24 | 0,84 | 2,24 | очень слабое |
2.Фон + Цеолит-С | 0,13 | 0,57 | 0,49 | 0,24 | 0,88 | 3,28 | очень слабое |
3.Фон +Диатомит-С | 0,09 | 0,55 | 0,53 | 0,22 | 0,79 | 4,34 | очень слабое |
4.Фон + Si нано-С | 0,14 | 0,50 | 0,54 | 0,24 | 0,83 | 2,30 | очень слабое |
5.Фон + Цеолит-П | 0,12 | 0,58 | 0,40 | 0,19 | 0,66 | 5,46 | слабое |
6.Фон + Диатомит-П | 0,15 | 0,61 | 0,42 | 0,17 | 0,62 | 6,67 | слабое |
ПДК | - | 6,0 | 23 | 3 | 4,0 | - | |
Фон | 0,20 | 1,0 | 0,9 | 0,3 | 1,5 | - | |
Дыхание почвы в опыте в целом невысоко и на большинстве вариантов оценивается как лочень слабое. Лишь два варианта - с внесением в почву цеолита или диатомита - дали некоторое увеличение интенсивности дыхания, позволив трактовать его как слабое, что, вероятнее всего, обусловлено положительным влиянием данных кремнийсодержащих материалов на ряд агрохимических показателей почвы и общее повышение продуктивности биомассы выращиваемых в опыте культур.
Глава 6. Эффективность применения кремнийсодержащих материалов
Оценка влияния удобрений на поглощение кремния из модифицированного кремнийсодержащего препарата биомассой яровой пшеницы и гороха (вегетационные опыты №3 и 4) показала, что пшеница более устойчива к действию концентрированных растворов нанопрепарата, чем горох, и показывает эффективную работу систем защиты репродуктивных органов от действия различных химических факторов. В то же время при обработке семян яровая пшеница более экономно и эффективно использует кремний из раствора препарата с меньшим разбавлением исходного препарата (соотношение препарат:вода как 1:10), а при обработке вегетирующих растений - из менее концентрированных растворов (1:15 и 1:20).
Энергетический анализ, выполненный по результатам полевого опыта с использованием кремнийсодержащего нанопрепарата, позволяет заключить, что в случае его использования для обработки семян лучшим был вариант с разбавлением исходного раствора в соотношении 1:10. Наиболее высокой энергетической эффективностью характеризуются варианты с кратностью разбавления исходного раствора как 1:15 и 1:20.
Для микрополевого опыта №8 с включением в схему разных факторов, обеспечивающих синтез урожая ресурсами элементов питания (азота, фосфора, калия и кремния) была рассчитана окупаемость их внедрения в технологию возделывания культур прибавками урожая, по методике, предложенной Т.А. Кулаковской. При расчете прибавок урожая использовали справочные данные по доле участия удобрений в формировании урожая, которая в данном случае для культуры, выращиваемой в год внесения удобрений (картофель), составила 37% (доза N120Р100К120). Для второй культуры (яровая пшеница), которая использовала эти удобрения в последействии, доля их участия в формировании прибавки урожая оценивается в 28% (доза NРК равна 140 кг/га). Результаты расчетов показаны в табл.19.
19. Влияние кремнийсодержащих материалов
на окупаемость минеральных удобрений прибавкой урожая картофеля
и яровой пшеницы, выращиваемых последовательно
| Варианты опыта | Картофель, клубни станд. вл. | Яровая пшеница, зерно станд. вл. | ||
прибавка, кг/м2 | окупаемость, кг/кг | прибавка, кг/м2 | окупаемость, кг/кг | |
1.NРК - фон | 0,87 | 25,6 | 0,046 | 3,6 |
2.Фон + Цеолит-С | 0,99 | 29,1 | 0,051 | 3,6 |
3.Фон +Диатомит-С | 0,98 | 28,8 | 0,050 | 3,6 |
4.Фон + Si нано-С | 1,03 | 30,3 | 0,048 | 3,4 |
5.Фон + Цеолит-П | 1,16 | 34,1 | 0,056 | 4,0 |
6.Фон + Диатомит-П | 1,30 | 38,2 | 0,055 | 3,9 |
Расчеты показали, что окупаемость удобрений прибавкой клубней картофеля высока и превышает нормативную (24 кг клубней на 1 кг NРК) на всех вариантах опыта. Максимальной она была на вариантах с внесением цеолита и диатомита в почву. Обработка клубней картофеля нанопрепаратом стимулировала отдачу от минеральных удобрений, которая на 18% превышала окупаемость удобрений на контроле. Окупаемость удобрений в последействии на яровой пшенице также высока, а на вариантах с внесением природных кремнийсодержащих материалов превышает нормативную (3,6 кг/кг). В целом результаты свидетельствуют, что диатомит оказывает больший стимулирующий эффект на отдачу от минеральных удобрений в прямом действии, а цеолит - в последействии.
ВЫВОДЫ
Исследования с природными кремнийсодержащими материалами цеолитом Хотынецкого месторождения Орловской области и диатомитом Инзенского месторождения Ульяновской области показали:
- Цеолит и диатомит при внесении их в почву дозой 1 т/га обладают статистически доказательным положительным действием на первой культуре (картофель) и существенным последействием на второй культуре (яровая пшеница), повышая урожайность основной продукции на 30-45% в прямом действии и на 20-22% в последействии при урожайности на контроле (фон N120Р100К120) 23,5 т картофеля и 1,64 т зерна с 1 га соответственно.
- Использование цеолита и диатомита для предпосадочного опудривания клубней картофеля было эффективным, математически достоверным и равным, на 12-14% повысив урожайность товарной продукции картофеля, но не сказалось на урожайности яровой пшеницы.
- Кремнийсодержащие материалы оказали позитивное влияние на качество основной продукции картофеля и яровой пшеницы. Внесение их в почву привело к повышению содержания протеина (на 1,6-2,1%) и клейковины (на 3,7-4,4%) в зерне пшеницы, содержания сухого вещества (на 4%) и витамина С (на 6-8 мг%) в картофеле, повышению содержания кремния в надземной фитомассе, а также увеличению выноса азота, фосфора, калия и кремния товарной продукцией культур.
- Цеолит и диатомит обладают сорбирующим действием по отношению к подвижным соединениям тяжелых металлов в почве: через 2 года после их внесения в почву заметно снизилось содержание биофильных элементов цинка, меди и никеля при некотором увеличении (в пределах ПДК и фона) содержания в почве кадмия и свинца. Интенсивность дыхания почвы при этом повышается от лочень слабой на контроле (фон NРК) до слабой на вариантах с использованием природных кремнийсодержащих материалов.
- Цеолит способствует детоксикации почв, загрязненных медью на уровне 2ПДК и 4ПДК, на 42% по отношению к загрязненной почве снижая содержание подвижных соединений меди в почве и их долю в валовых запасах (с 5-6 до 3%). Коэффициент биологического поглощения меди растениями также снижается: с 4,3 на незагрязненной почве до 1,8-1,4 единиц при уровне загрязнения 2ПДК и 4ПДК соответственно.
- Использование природных кремнийсодержащих материалов по фону минеральных удобрений (N120Р100К120) позволяет повысить окупаемость 1 кг внесенных удобрений с 25 кг прибавки клубней картофеля до 34-38 кг/кг, т.е. почти на 30-50%. На яровой пшенице, выращиваемой после картофеля (последействие удобрений) окупаемость удобрений составила 3,9-4,0 кг прибавки зерна на 1 кг ранее внесенных удобрений.
Исследования с кремнийсодержащим препаратом, полученным с использованием технологии модифицирования солей низкими концентрациями наночастиц, позволяют сделать следующие выводы:
- В контролируемых условиях вегетационного опыта яровая пшеница дает максимальную продуктивность при кратности разведения кремнийсодержащего нанопрепарата водой в соотношении 1:5 (4-13% прибавки урожая по отношению к фону NРК). Для гороха лучшими по влиянию на урожай являются концентрации препарата с кратностью разбавления 1:10 (для обработки семян) и 1:15-1:20 - при сочетании обработки семян и растений, что обеспечивает прибавку к урожайности на контроле в 44-50%.
- Для обработки семян яровой пшеницы и овса раствором нанокомпозитного кремнийсодержащего комплекса в полевых условиях следует использовать раствор с соотношением компонентов препарат : вода как 1:10 или 1:15 (22-23% и 15-17% прибавки при урожайности на контроле 2,09 и 1,86 т/га соответственно). Сочетание предпосевной обработки семян с внекорневой подкормкой вегетирующих растений наиболее эффективно при кратности разбавления препарата 1:15, что позволяет повысить урожайность зерна на 33 и 31 % соответственно для яровой пшеницы и овса.
- Применение нанокомпозитного комплекса, содержащего кремний, для обработки клубней картофеля привело к существенному повышению урожайности (на 4,4 т/га или 19%), повышению содержания сухого вещества (на 4%) и витамина С в клубнях (на 14,4 мг%).
- Использование кремнийсодержащего препарата в наноформе стимулирует движение основных элементов питания в системе почва-растение, способствуя их усвоению надземной биомассой, вследствие чего повышаются содержание и вынос азота, фосфора и калия растительной продукцией яровой пшеницы, гороха, овса и картофеля.
- Использование кремнийсодержащего нанопрепарата для обработки семян и надземной биомассы зерновых культур способствует увеличению содержания в почве актуального кремния, не изменяя запасы других форм; стимулирует накопление кремния в соломе и повышает вынос кремния общей надземной биомассой, способствуя переходу этого элемента из почвы в растения. Аккумуляция кремния биомассой гороха достигает 11-15, а яровой пшеницей - 16-23 единиц по отношению к содержанию доступных для растений форм кремния в почве.
- Наиболее высокой энергетической эффективностью характеризуется вариант опыта с совместной обработкой семян и вегетирующих растений нанопрепаратом с кремнием при кратности разбавления исходного раствора (0,2% концентрации) как 1:15, где на каждый мегаджоуль, вложенный в производство, получено 2,02 Мдж энергии, заключенной в урожае.
СПИСОК ТРУДОВ
в журналах из списка ВАК РФ
- Дабахова Е.В. Изучение кремнийсодержащих препаратов / Е.В. Дабахова, Н.В. Забегалов // Агрохимический вестник. - 2011. - № 2. - С. 26-28.
- Забегалов Н.В. Влияние кремнийсодержащего нанопрепарата на урожайность и содержание кремния в зерновых культурах / Н.В. Забегалов, Е.В. Дабахова // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - №12. - С. 22-24.
- Забегалов Н.В. Влияние кремнийсодержащего нанокомпозитного препарата на содержание и вынос элементов питания яровой пшеницей и горохом / Н.В. Забегалов // Агрохимический вестник. - 2012. - №1. - С. 27-29.
в сборниках трудов конференций:
- Забегалов Н.В. Значение кремния для зерновых культур / Н.В. Забегалов // Проблемы сельскохозяйственного производства: Мат. науч.-практ. конф. препод. и студентов по итогам 2009-2010 гг. - Н. Новгород, 2010. - С. 71-72.
- Забегалов Н.В. Влияние применения нанокомпозитного препарата, содержащего кремний, на урожайность и качество яровой пшеницы / Н.В. Забегалов // Проблемы сельскохозяйственного производства: Мат. науч.-практ. конф. препод. и студентов по итогам 2009-2010 гг. - Н. Новгород, 2010. - С. 72-73.
- Забегалов Н.В. Влияние цеолита на продуктивность культур в звене севооборота ляровая пшеница - овёс / Н.В. Забегалов, М.С. Шамаева, Е.Ю. Гейгер, В.И. Титова // Земледелие и его ресурсное обеспечение в современных условиях: Мат. науч.-практ. конф. НГСХА, посвящённой 75-летию Заслуженного деятеля науки РФ, доктора с.-х. наук, профессора В.П. Заикина и 80-летию образования академии. - Н. Новгород, 2010. - С. 60-64.
- Забегалов Н.В. Влияние кремнийсодержащих удобрений на содержание и вынос основных элементов питания культурными растениями / Н.В. Забегалов // Нетрадиционные источники и приёмы организации питания растений: Мат. межд. науч.-практ. конф. / НГСХА. - Н. Новгород: Изд-во ВВАГС, 2011. - С. 105-109.
Подписано в печать ______________
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ ___
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия
603107, Нижний Новгород, проспект Гагарина, 97
Типография НГСХА
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии