На правах рукописи
ФЕДОРОВСКИЙ Тарас Григорьевич
ЭКОЛОГО-АГРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УСТОЙЧИВОСТИ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ
Специальность 03.02.08 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в ФГУ «Московский научно-исследовательский институт сельского хозяйства "Немчиновка"» Россельхозакадемии
Научный руководитель: доктор биологических наук Замана Светлана Павловна
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Мажайский Юрий Анатольевич доктор биологических наук, профессор Орлова Валентина Сергеевна
Ведущая организация: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии
Защита диссертации состоится 7 февраля 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Ю.Фучика, 1, тел.: (495) 521-45-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»
Автореферат размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» http//www.rgazu.ru и на официальном сайте ВАК [email protected] «_» декабря 2011 г.
Автореферат разослан 26 декабря 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук О.Л. Сойнова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Недавно созданная организация «Международная оценка сельскохозяйственных знаний, науки и технологии на цели развития» считает, что важнейшей задачей современности является достижение сбалансированности в экологическом, социальном и экономическом отношении устойчивого развития. Как ключевое понятие устойчивое развитие имеет два основных признака сохранение окружающей природной среды (биосферы в целом и ее составляющих экосистем) и неопределенно долгое существование цивилизации.
Устойчивостью функционирования агроэкосистемы является способность поддерживать заданные производственные и социальные функции, сохраняя биосферные функции. Основными параметрами устойчивости являются сбалансированность биогеохимического круговорота (Ветров, 2005) и биологическая продуктивность.
В настоящее время особую актуальность приобретает решение вопросов, связанных с устойчивым функционированием агроэкосистем при техногенном загрязнении. Необходим комплексный подход при изучении круговорота как жизненно-важных, так и токсичных химических элементов в системе почварастения-животные на конкретной территории хозяйствования. Сохранение биосферы посредством переориентации научно-технического прогресса на создание экологически безопасных технологий в сельском хозяйстве – основной путь устойчивого функционирования агроэкосистем.
Цель и задачи исследований. Основной целью наших исследований являлась разработка эколого-агрохимических аспектов устойчивости функционирования агроэкосистем и экологически безопасных способов коррекции элементного статуса на территории хозяйства.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить важнейшие показатели химического состояния почвы, влияющие на миграцию химических элементов в системе почва-растенияживотные.
2. Изучить взаимосвязи между содержанием химических элементов в растениях, в биосубстратах животных и содержанием их в почве кормовых угодий.
3. Обосновать способ экологической оценки устойчивости функционирования системы почва-растения-животные на территории конкретного хозяйства.
4. Разработать экологически безопасные приемы коррекции элементного статуса территории хозяйства через почву, повышающие устойчивость функционирования агроэкосистемы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Показатели, влияющие на поступление химических элементов из почвы в выращиваемые на ней растения и на дальнейшую миграцию их в организм животных.
2. Эколого-агрохимические подходы к изучению устойчивости функционирования агроэкосистемы, разработанные с учетом содержания химических элементов в разных объектах системы почва-растения-животные на территории конкретного хозяйства.
3. Экологически безопасные способы улучшения элементного статуса конкретной территории агроландшафта с помощью восполнения эссенциальных химических элементов и микробиоты в почве кормовых угодий.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые разработаны эколого-агрохимические аспекты устойчивости функционирования агроэкосистемы на территории конкретного хозяйства с учетом выявленных закономерностей накопления химических элементов в биосубстратах коров, скармливаемых пастбищными травами.
Научно обоснованы и апробированы в хозяйственных условиях приемы восполнения дефицита подвижных форм эссенциальных элементов на территории агроландшафта с помощью применения жидких удобрений, содержащих энергены и микроэлементы - йод, селен, молибден, медь, цинк, кобальт, а также с помощью нового бактериального удобрения.
Практическая значимость работы. Предложен способ экологической оценки устойчивости функционирования агроэкосистемы. Разработана технология внесения при подсеве трав жидких микроэлементсодержащих удобрений на основе энергенов с помощью разработанного нами устройства. Показана возможность применения на дерново-подзолистых почвах Московской области нового бактериального удобрения «Звезда полей», которое способствует увеличению содержания жизненно-важных химических элементов как в почве (подвижные формы), так и в выращиваемых кормовых травах.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 3-й Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Новосибирск, 2000); научно-практической конференции «Круговорот биогенных веществ и плодородие почв в адаптивноландшафтном земледелии России» (Москва, 2000); симпозиуме «Перспективные агрохимические технологии повышения качества кормов» (РАСХН, 2002); Международной научной конференции «Современные проблемы геохимической экологии и сохранения биоразнообразия» (Киргизия, 2003); 4-й Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003); 4-м Международном симпозиуме «Микроэлементы в человеке: новые перспективы» (Греция, 2003); Международной научной конференции «Агроэкологическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Москва, 2005); Российско-Японском совещании «Проблемы геохимической экологии, диагностики микроэлементозов и их коррекции» (Москва, 2005); на Международной конференции по микроэлементам в диете, питании, здоровье (Греция, о. Крит, 2007); на 6-м Международном симпозиуме по современным подходам к мониторингу воздуха (включая биомониторинг) (Норвегия, 2008); на Всероссийской научнопрактической конференции «Проблемы Рыбинского водохранилища и прибрежных территорий» (Москва, 2011); на Международной научно-практической конференции «Многофункциональное адаптивное кормопроизводство» (Москва, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 в журналах ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, практических предложений. Работа изложена на 143 страницах, содержит 38 таблиц и 3 рисунка. Список использованной литературы включает 161 источник, в том числе 35 иностранных авторов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В основу диссертационной работы были положены результаты лабораторных и модельных опытов, а также полевых исследований, проведенных автором в 2000-2010 годы на территории животноводческого хозяйства в пос. Новоивановское Одинцовского района Московской области.В пастбищный сезон на территории хозяйства отбирали образцы почвы, кормовых растений и кормов (Методические указания …, 1982, 1985), а также биосубстраты (молоко, терминальные волосы) крупного рогатого скота (КРС) черно-пестрой породы для химического анализа.
Пробы растений и кормов минерализовали методом сухого озоления (ГОСТ 26657-85). В образцах почвы определяли валовое содержание элементов с помощью спектрального анализа. Подвижные формы макроэлементов в почве определяли следующими методами: фосфор и калий – по методу Кирсанова;
кальций и магний – в КС1 вытяжке. Подвижные формы микроэлементов и тяжелых металлов – в 1М HNO3 вытяжке, в ацетатно-аммонийной вытяжке (рН 4,8), в системе вытяжек по Пейве-Ринькису и др.
Химические элементы в почве, растениях и кормах определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (Aanalyst 200), позволяющей в одной пробе одновременно определять широкий спектр элементов. Контроль точности результатов осуществляли по государственным стандартным образцам почвы и растений.
Содержание химических элементов в молоке коров определяли с помощью метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Elan 9000) и метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Optima 2000 DV).
Для анализа терминальных волос КРС использовали микроволновую печь Mars-5 и атомно-абсорбционный спектрометр HITACHI Z-8000. Одновременно с отобранными пробами волос КРС анализировали стандартные образцы волос человека – CRM 397 (Commission of the European Communities).
Обработку полученных материалов осуществляли с помощью стандартных методов математической статистики.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Важнейшие показатели химического состояния почвы, влияющие на поступление элементов в агроэкосистему Одним из сложных моментов при определении миграции химических элементов в агроэкосистеме (почва-растения-животные) является установление показателей, в наибольшей степени отражающих возможности реального поступления элементов из почвы в биогеохимическую пищевую цепь на конкретной территории. На поведение химических элементов в почвах особенно сильное влияние оказывает реакция среды (рН).Для определения динамики изменения содержания химических элементов в жидкой и твердой фазах почвы при разных диапазонах рН нами проведен модельный опыт. В водную суспензию из органогенного горизонта почвы добавлялась кислота или щелочь. После центрифугирования суспензий в жидкой и твердой фазах определяли Ca, Mg, K, Mn, Fe, Al, Si и углерод органического вещества.
В таблице 1 представлены результаты определения содержания элементов в жидкой фазе при разных диапазонах рН. Содержание Са при рНисх 4,2 составляет 8, ммоль-экв/кг, самое низкое его содержание (0,9 ммоль-экв/кг) наблюдается в диапазоне рН 5-6, а самое высокое (22,2 ммоль-экв/кг) - в диапазоне рН 8-9. Повышение содержания Ca при рН 8-9 вызвано растворением содержащего кальций органического вещества (Ср), что можно объяснить максимальной прибавкой и кальция, и органического вещества в этом интервале рН. Уменьшение содержания Са при рН 9- связано с уменьшением содержания органического вещества.
Cостав жидкой фазы водной суспензии из органогенного горизонта почвы (ммоль-экв/кг) Химические Содержание химических элементов при разных значениях рН элементы Самое низкое содержание Mg наблюдается при рНисх (2,0 ммоль-экв/кг);
самое высокое (5,3 ммоль-экв/кг) – в диапазоне рН 8-9, что в определенной степени коррелирует с изменениями содержания органического вещества при разных диапазонах рН.
Самое низкое содержание K наблюдается при рНисх (3,0 ммоль-экв/кг); при повышении рН от 4,2 до 10 содержание его резко увеличивается параллельно увеличению содержания органического вещества. Содержание Mn при рНисх составляет 0,3 ммоль-экв/кг; оно остается на одном и том же уровне во всех интервалах при повышении рН до 10. Содержание Fe при рНисх составляет 0,4 ммоль-экв/кг. При добавлении щелочи оно постепенно увеличивается, достигая 7,0 ммоль-экв/кг при рН 9-10 за счет растворения Fe-органических комплексов.
Содержание Al в растворе при рНисх составляет 5,6 ммоль-экв/кг. При повышении рН его содержание сначала увеличивается при рН 4,2-5, затем снижается при рН 5-6 и рН 6-7 и снова увеличивается при рН 8-10. Изменения в содержании Al при увеличении рН можно объяснить тем, что при более низких значениях рН происходит частичное вытеснение обменного Al в раствор; при рН 5-6 и рН 6-7 Al осаждается в форме гидроксида, а при еще более высоких значениях рН происходит растворение гидроксида с образованием алюминат-ионов. Содержание Si в растворе при рНисх составляет 1, ммоль-экв/кг. При добавлении щелочи оно постепенно возрастает за счет перехода его из растительных остатков.
При снижении рН от исходного значения до рН 3 содержание в растворе всех выше перечисленных химических элементов увеличивается (в ммольэкв/кг): кальция – до 14,5, магния – до 4,8, калия – до 4,6, марганца – до 1,2, железа – до 0,5, алюминия – до 6,9, кремния – до 1,8.
Таким образом, проведенный нами модельный опыт показал, что содержание доступных растениям форм химических элементов в жидкой фазе почвы может динамично меняться в зависимости от рН. Поэтому судить о миграции химических элементов в системе почва-растения-животные на конкретной территории агроландшафта целесообразно по реальному поступлению их в полевых условиях в выращиваемые растения и дальше по пищевой цепи в организм животных (например, коров). Для оценки элементного статуса организма коров удобно использовать терминальные волосы хвоста (Лебедев, 1994).
2. Изучение устойчивости функционирования агроэкосистемы на территории хозяйства 2.1. Элементный состав почв. Исследования по устойчивости функционирования системы почва-растения-животные проводились нами на территории хозяйства, где сопряженно отбирались пробы почвы и растений на пастбище. Для оценки элементного состава почв при биогеохимических исследованиях используют показатели валового содержания химических элементов, а при агрохимических применяют показатели содержания их подвижных форм в водных, солевых или кислотных вытяжках, причем уровни содержания микроэлементов (и тяжелых металлов) в разных вытяжках из одной и той же почвы могут существенно различаться.
Поэтому при определении возможности поступления химических элементов из почвы в растения могут возникать трудности в выборе показателей.
В одних и тех же образцах почвы определяли содержание элементов разными методами. Дерново-подзолистая почва пастбища имела рНКС1=5,3, очень высокое содержание подвижного фосфора (338 мг/кг Р2О5), высокое содержание обменного калия (245 мг/кг К2О) и общего азота (0,169 %), среднее содержание обменных кальция (8,6 мг-экв/100 г) и магния (2,1 мг-экв/100 г). По результатам спектрального анализа установлено, что валовое (общее) содержание K, Co, Cu, Zn, Ti, V, Pb, B, Ni и Cd в почве пастбища было выше, а Ca, Mg, Fe, Mn, Al, Cr, Sr, Ba – ниже, чем их кларки по Виноградову (табл. 2).
Определение кислоторастворимых форм Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Co, Mn, Fe в почве пастбища показало (табл. 3), что в данную вытяжку переходит 21% Pb, 1% Cd, 11% Cu, 25% Zn, 12% Ni, 14% Co, 73% Mn и 1% Fe от их общего содержания. Уровни содержания Pb, Cd, Cu, Zn, Ni были значительно ниже ориентировочно допустимых концентраций.
Результаты определения микроэлементов в этих же образцах почвы по методу Пейве-Ринькиса показали, что, согласно принятым в агрохимслужбе градациям, обеспеченность почвы подвижными формами Cu, Zn и Mn являлась высокой, Co – средней (табл. 4). В отличие от валового содержания (по которому Cu, Zn и Co были выше кларка, а Mn – ниже), в ацетатно-аммонийном буфере (ААБ) с рН 4,8, близком к рН кислой дерново-подзолистой почвы, обнаружено, наоборот, низкое содержание Cu, Zn, Co и высокое – Mn.
Валовое содержание химических элементов в почве, мг/кг Содержание химических элементов в 1М НNO3 вытяжке, мг/кг Среднее содержание Содержание в почве подвижных форм элементов, мг/кг 2.2. Элементный состав растений и кормов. Выращенные на пастбище растения имели высокое содержание Ca (8,3 г/кг), Mg (2,7 г/кг), Mn (92 мг/кг) и низкое - Cu (8,4 мг/кг), Zn (27,5 мг/кг), Co (0,13 мг/кг). Низкое содержание Cu, Zn и Co выявлено не только в траве пастбища, но и в сене, а также в викоовсяной смеси (табл. 5), выращенных на других производственных участках данного хозяйства, что хорошо коррелирует с содержанием подвижных форм этих элементов в почве, определяемых в ацетатно-аммонийном буфере.
Содержание химических элементов в траве и кормах хозяйства Объекты Уровни содержания токсичных химических элементов (Pb, Cd и Ni) в укосах растений и в кормах данного хозяйства были ниже, чем максимально допустимые уровни для всех видов кормов (МДУ по Pb - 5, по Cd – 0,3, по Ni – 3 мг/кг) (Химизация в отраслях АПК, 1990). Выявленный недостаток эссенциальных микроэлементов Cu, Zn, Co в кормовых растениях, выращенных в данном хозяйстве, может восполняться в организме коров через комбикорм.
2.3. Экологическая оценка агроэкосистемы с позиций устойчивого функционирования С целью выявления взаимосвязей между содержанием подвижных форм химических элементов в почве пастбища и содержанием их в организме коров в хозяйстве подбирали группы животных, которых в летний период кормили только натуральными пастбищными кормами. В конце августа у животных отбирали пробы терминальных волос для химического анализа. Поскольку имеющиеся в литературе данные по диапазонам нормального содержания элементов в волосах КРС несколько противоречивы (Хенниг, 1976, Кальницкий, 1985, Лебедев, 1995), нами была проведена экспериментальная работа по установлению ориентировочных норм (табл. 6) содержания элементов в терминальных волосах коров черно-пестрой породы.
При устойчивом функционировании системы почва-растения-животные в организме коров, скармливаемых натуральными кормами, выращенными на территории хозяйства, должно быть оптимальное содержание химических элементов. Недостаток или избыток доступных форм элементов в почве будет приводить к недостатку или избытку их в организме животных. Поэтому определение элементного состава волос КРС может позволить выявлять экологические связи животных с геохимической средой обитания и служить экспресс-методом экологической оценки устойчивости функционирования агроэкосистем.
Исследования на территории хозяйства показали, что в почве пастбища наблюдалось высокое содержание доступных растениям подвижных форм фосфора (149 мг/кг), калия (203 мг/кг), магния (246 мг/кг) и марганца (57 мг/кг);
среднее – кальция (1714 мг/кг) и молибдена (0,18 мг/кг), по сравнению с принятыми в агрохимслужбе градациями (табл. 6). В то же время исследуемая почва была мало обеспечена подвижными формами жизненно-важных микроэлементов – Cu (0,11 мг/кг), Zn (2,0 мг/кг) и Co (0,03 мг/кг), определяемых в ацетатно-аммонийном буфере с рН 4,8. Содержание железа в ацетатно-аммонийной вытяжке составляло 68 мг/кг.
Содержание элементов в почве, растениях и волосах коров Объект Волосы волос коров установлено, что, по сравнению с ориентировочными нормами, наблюдалось высокое содержание K (3200 мг/кг), Mg (1303 мг/кг), Mn (23 мг/кг) и низкое – Cu (5,7 мг/кг), Zn (97 мг/кг) и Co (0,005 мг/кг), что хорошо коррелирует с содержанием подвижных форм перечисленных элементов в почве.
Таким образом, химический анализ терминальных волос КРС на содержание широкого спектра химических элементов может служить экспресс-методом экологической оценки устойчивого функционирования агроэкосистемы.
2.4. Элементный состав коровьего молока. В зависимости от недостатка или избытка подвижных форм элементов в почве может наблюдаться недостаток или избыток их в продукции животноводства, в частности, в коровьем молоке. По результатам химического анализа молока коров из хозяйства пос.
Новоивановское установлено, что средние уровни содержания эссенциальных и токсичных элементов можно расположить по убывающей в следующем порядке (мг/л): K (1161) > Ca (1041) > Na (1025) > P (708) > Mg (109) > Zn (2,95) > Si (0,56) > Sr (0,52) > Fe (0,35) > B (0,17) > Al (0,09) > J (0,074) > Cr (0,048) > Cu (0,045)> Ni (0,045) > Se (0,039) > Mn (0,015) > V (0,013) > Li (0,012) > As (0,006) > Sn (0,003) > Co (0,002) > Pb (0,0015) > Hg (0,0005) > Cd (0,0002).
Выявлено низкое содержание таких эссенциальных микроэлементов, как Fe, Zn, Mn и Co, по сравнению с установленными для них нормами (Zn и Fe – 2,5-4,0, Mn – 0,1-0,3, Co – 0,01–0,03 мг/л).
Несмотря на то, что в целом для Нечерноземной зоны, куда относится и Московская область, характерна относительная обогащенность кормов железом, в хозяйстве пос. Новоивановское выявлено низкое содержание железа в сене (45 мг/кг).
Средние уровни содержания в молоке Cr, Se и J соответствовали установленным естественным их уровням или были несколько выше. Содержание токсичных элементов Pb, Cd, Ni было значительно ниже ПДК; низкие уровни их содержания обнаружены нами в укосах пастбищных растений и в кормах хозяйства. В молоке выявлен высокий уровень содержания стабильного стронция (0,52 мг/л), что связано со значительной его концентрацией в используемой для поения коров водопроводной воде из артезианской скважины (6,5 мг/л). Высокий уровень содержания стабильного стронция (25,7 мг/кг) обнаружен нами и в волосах жителей пос. Новоивановское, употреблявших питьевую воду из данной скважины.
«