Національний науковий центр

“Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського”

Жеребна Людмила Олексіївна

УДК 631.434.52: 631.41: 631.414

:

ВПЛИВ ВИСОКИХ РІВНІВ ЗАБРУДНЕННЯ СВИНЦЕМ ТА КАДМІЄМ ЧОРНОЗЕМІВ ОПІДЗОЛЕНИХ І ТИПОВИХ НА НАДХОДЖЕННЯ ЦИХ ЕЛЕМЕНТІВ У РОСЛИНИ ЯЧМЕНЮ І КУКУРУДЗИ, УРОЖАЙ ТА ЙОГО ЯКІСТЬ В УМОВАХ ЛІВОБЕРЕЖНОГО ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ

06.01.04 – агрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному науковому центрі “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” Української академії аграрних наук

Науковий керівник - доктор сільськогосподарських наук, член-кореспондент УААН Кисіль Володимир Іванович, Національний науковий центр “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського”, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор Кулєшов Михайло Миколайович, Харківський національний аграрний університет ім. В.В. Докучаєва Міністерства аграрної політики України, завідувач кафедри агрохімії

доктор сільськогосподарських наук, професор, член-кореспондент УЕАН Дегодюк Едуард Григорович, Інститут землеробства Української академії аграрних наук, головний науковий співробітник відділу агрохімії та фізіології рослин, м. Київ

Провідна установа: Уманська державна аграрна академія, кафедра агрохімії та ґрунтознавства, Міністерство аграрної політики України,

м. Умань.

Захист відбудеться “-23 “-грудня---- 2003 р. о –10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01. в Національному науковому центрі “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського” за адресою: 61024, м. Харків, вул. Чайковського, 4.

Автореферат розісланий “21“ листопада 2003 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат сільськогосподарських наук Павленко О.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забруднення навколишнього середовища важкими металами з кожним роком набуває все більшого поширення і в багатьох регіонах несе в собі ознаку техногенного опустелювання.

Проблема важких металів є дуже актуальною для України, в зв’язку з забрудненням до 20% в тій чи іншій мірі важкими металами сільськогосподарських угідь (В.І.Кисіль, 1998). Більша частина важких металів потрапляє в ґрунти в складі викидів промислових підприємств і автотранспорту, менша надходить з мінеральними добривами. Шляхи запобігання надходження важких металів у сільськогосподарську продукцію не завжди бувають ефективними (Ю.В. Алексеєв, 1987; Е.Г. Дегодюк, 1992; Н.П. Коцюбинська, 2001). Це пов'язано з тим, що сільськогосподарські рослини не мають здатності вибіркового поглинання хімічних елементів при високому рівні їхнього вмісту в орному шарі. Тому значна частина важких металів надходить з ґрунтів у вегетативні і генеративні органи рослин.

Спеціальних заходів із зменшення негативного впливу важких металів на урожай сільськогосподарських культур, його якість та довкілля майже не застосовується. Зокрема, це пояснюється недостатнім вивченням особливостей надходження елементів-токсикантів у рослини за високих рівнів їх вмісту у ґрунтах. Особливо невивченими є питання щодо впливу різних доз мінеральних добрив та вапна на здатність рослин адаптуватися до дії важких металів; актуальним залишається пошук і випробування сорбент-меліорантів, які здатні обмежувати надходження важких металів у рослини; не в повній мірі визначена спроможність кореневих систем сільськогосподарських культур знижувати накопичення важких металів у генеративні органи за високих рівнів їх вмісту у ґрунтах.

Саме ці питання і були поставлені на вивчення у наших дослідженнях.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в лабораторії екології ґрунтів та біоземлеробства Національного наукового центру “Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського”. Наукові дослідження проводилися впродовж 1993-2001 рр. відповідно до тематичних планів Інституту ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського і були складовою частиною НТП УААН “Продовольство-95” (№ ДР UА 01002213Р), НТП УААН “Родючість ґрунтів” (№ ДР 03.04. – МВ/30-96), а також НТП УААН “Родючість і охорона грунтів”, згідно завдання 02.02. (ДР № 0101 U 006049).

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень – визначити вплив високих рівнів забруднення чорноземів опідзолених та типових важкосуглинкових свинцем і кадмієм на надходження елементів забруднювачів, макро- і мікроелементів в рослини ячменю і кукурудзи, урожай та його якість; встановити спроможність кореневих систем сільськогосподарських культур в зменшенні надходження важких металів в генеративні органи за високих рівнів їх вмісту у ґрунтах; виявити роль різних доз мінеральних добрив, вапна і комплексних сорбент-меліорантів у посиленні здатності сільськогосподарських культур протидіяти надходженню важких металів у кореневі системи та надземну масу рослин.

Для досягнення мети досліджень поставлено такі завдання:

§ встановити вплив високих рівнів забруднення чорнозему опідзоленого і чорнозему типового важкосуглинкового за гранулометричним складом свинцем і кадмієм на урожай і якість зерна ячменю та зеленої маси кукурудзи;

§ дослідити вплив різних доз мінеральних добрив та вапна на зменшення надходження важких металів у рослини ячменю і кукурудзи;

§ встановити кількісні значення спроможності кореневих систем до зниження надходження свинцю у генеративні органи ячменю за різних рівнів забруднення цим елементом чорнозему типового;

§ визначити роль вапна щодо зниження негативного впливу важких металів на сільськогосподарські рослини за сумісного його внесення з мінеральними добривами.

§ встановити можливість використання на техногенно забруднених ґрунтах комплексних сорбент-меліорантів на основі бентонітів і цеолітів.

§ встановити вплив високих рівнів забруднення чорнозему опідзоленого свинцем та кадмієм на надходження макроелементів і мікроелементів до рослин ячменю та кукурудзи.

§ з’ясувати характер впливу високих рівнів забруднення чорнозему опідзоленого свинцем і кадмієм на вміст в орному шарі ґрунту поживних речовин.

Об'єктом дослідження є процеси надходження важких металів, макроелементів і мікроелементів із ґрунту в сільськогосподарські культури.

Предметом досліджень є вміст різних форм свинцю і кадмію в орному шарі чорнозему опідзоленого і чорнозему типового, хімічний склад та показники якості рослинницької продукції.

Методи досліджень. Вирішення проблеми обґрунтовано проведенням наукових експериментів на основі комплексного підходу. Дослідження проводили в умовах мікропольових і вегетаційних дослідів за існуючими методиками. Хімічні аналізи ґрунтів, рослин і визначення показників якості рослинницької продукції – за атестованими та тимчасово допущеними до використання методиками з наступною статистичною обробкою даних.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше в умовах Лівобережного Лісостепу України встановлено вплив високих рівнів забруднення чорноземів опідзоленого і типового важкосуглинкових свинцем і кадмієм на надходження елементів забруднювачів, макро- і мікроелементів в рослини ячменю і кукурудзи, урожай та його якість, визначено граничні рівні забруднення чорнозему типового свинцем, вище яких спроможність рослин ячменю проти дії свинцю припиняється; виявлена роль різних доз мінеральних добрив, вапна і комплексних сорбент - меліорантів у зниженні надходження свинцю і кадмію у вегетативні та генеративні органи сільськогосподарських рослин.

·

·

·

·

·

·

·

Практичне значення отриманих результатів. На підставі результатів проведених досліджень агропідприємствам, які розташовані поблизу промислових підприємств з великими обсягами техногенних викидів, запропоновано заходи, що сприяють зменшенню транслокації свинцю і кадмію із ґрунтів в сільськогосподарські рослини, забезпечують одержання врожаїв, які відповідають санітарно-гігієнічним вимогам, попереджають техногенну деградацію ґрунтів в зонах з імпактним забрудненням; визначено ефективність сумісного локального внесення мінеральних, органічних добрив і вапна, комплексних сорбент-меліорантів на основі бентонітів та цеолітів.

Особистий внесок здобувача складається у визначенні мети і задач досліджень, особистій участі в проведенні мікропольових і вегетаційних дослідів, в узагальненні та математичній обробці експериментального матеріалу, в апробації результатів, формулюванні новизни і наукових висновків роботи. У дисертації автором використані зі спільних наукових праць власні ідеї і розробки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень доповідалися, обговорювалися та були опубліковані в матеріалах ІІ з'їзду Білоруського товариства ґрунтознавців (м. Мінськ, 2001 р.) та VI з'їзду ґрунтознавців та агрохіміків України (м. Умань, 2002 р.), на наукових міжвідомчих та науково-практичних конференціях (м. Харків: ХДЕУ, 2001 р., ХНАУ ім. В.В. Докучаєва, 1994, 1996 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено в 10 наукових працях, в тому числі в 5 статях у фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, дев’яти розділів, висновків, пропозицій виробництву, списку літератури, який налічує 268 найменувань (50 робіт іноземних авторів), додатків. Викладено на 226 сторінках комп’ютерного тексту, містить 153 сторінку власне тексту, 66 таблиць, 9 рисунків, 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вплив техногенного забруднення ґрунтів кадмієм і свинцем на формування врожайності зерна ячменю і зеленої маси кукурудзи на силос та фізіологічна роль агрохімікатів в її реалізації. Наводиться огляд літературних джерел з питань техногенного забруднення агросфери. Показано негативний вплив важких металів на властивості ґрунтів. Акцентовано увагу на тому, що на теперішній час, поряд з певними досягненнями у вивченні проблеми важких металів залишається ще багато нез’ясованих питань. Доводиться необхідність вивчення впливу мінеральних добрив, вапна, меліорантів на блокування надходження важких металів у рослини з різними біологічними характеристиками за високих рівнів забруднення ґрунту свинцем та кадмієм. Обґрунтовуються актуальність та напрямки досліджень з опрацювання заходів із зменшення негативного впливу високих рівнів забруднення ґрунтів свинцем та кадмієм на надходження у сільськогосподарські культури елементів-забруднювачів та їх вплив на вміст поживних речовин, макро- і мікроелементів, урожай та його якість.

Об’єкти, умови і методи досліджень. Вивчення питань, поставлених в дисертаційній роботі, здійснено шляхом проведення мікропольових та вегетаційних дослідів. Дослідження виконували впродовж 1993-2001 рр. на основних підтипах чорноземів Лівобережного Лісостепу України в сільськогосподарському підприємстві "Комунар" Харківського району Харківської області. Зокрема, мікропольові досліди проведено на чорноземі опідзоленому малогумусному важкосуглинковому з такою агрохімічною характеристикою орного шару: вміст загального гумусу (за Тюріним) – 2,7%, рН сол. - 5,1, вміст азоту, що легкогідролізується (за Корнфільдом), – 4,8 мг/100 г ґрунту, рухомих форм фосфору (Р2О5) і обмінних форм калію (К2О) відповідно - 5,1 і 9,1 мг/100 г ґрунту. В чорноземі типовому середньогумусному важкосуглинковому, який використано для проведення вегетаційного досліду, вміст загального гумусу становив 4,1%; рН сол. – 6,0,; азот, що гідролізується, – 5,9, рухомий фосфор – 13,0 і обмінний калій – 9,0 мг/100 г ґрунту.

У мікропольових дослідах, проведених у 1994–1996 рр., вивчали закономірності транслокації свинцю та кадмію у рослини ячменю та кукурудзи на штучно забруднених цими елементами ґрунтах. Схеми дослідів передбачали вивчення особливостей надходження у сільськогосподарські культури свинцю і кадмію за різних доз застосування мінеральних добрив на фоні використання вапна і без його внесення (табл. 1).

Таблиця 1

Мікропольовий дослід 1. Вплив агрохімікатів на блокування рослинами кадмію та свинцю за навантажень, що зростають, на одиницю площі чорнозему опідзоленого важкосуглинкового (1994 - 1996 рр.)

№ п/п | Варіант | №

п/п | Варіант

1 | Без добрив і ВМ (контроль) | 1 | Без добрив і ВМ (контроль)

2 | Cd 50 мг/кг ґрунту | 2 | Pb 1000 мг/кг ґрунту

3 | Cd 100 мг/кг ґрунту | 3 | Pb 1500 мг/кг ґрунту

4 | Cd 50 + N1P1K1* | 4 | Pb 1000 + N1P1K1

5 | Cd 50 + N2P2K2 | 5 | Pb 1000 + N2P2K2

6 | Cd 50 + N3P3K3 | 6 | Pb 1000 + N3P3K3

7 | Cd 100 + N1P1K1 | 7 | Pb 1500 + N1P1K1

8 | Cd 100 + N2P2K2 | 8 | Pb 1500 + N2P2K2

9 | Cd 100 + N3P3K3 | 9 | Pb 1500 + N3P3K3

10 | Cd 50 + N1P1K1 + СаСО3** | 10 | Pb 1000 + N1P1K1+ СаСО3

11 | Cd 50 + N2P2K2+ СаСО3 | 11 | Pb 1000 + N2P2K2+ СаСО3

12 | Cd 50 + N3P3K3+ СаСО3 | 12 | Pb 1000 + N3P3K3+ СаСО3

13 | Cd 100 + N1P1K1+ СаСО3 | 13 | Pb 1500 + N1P1K1+ СаСО3

14 | Cd 100 + N2P2K2+ СаСО3 | 14 | Pb 1500 + N2P2K2+ СаСО3

15 | Cd 100 + N3P3K3+ СаСО3 | 15 | Pb 1500 + N3P3K3+ СаСО3

* - N1P1K1 - для ячменя - N30P30K30 , для кукурудзи – N40P40K40

** - СаСО3 з розрахунку 150 кг/га

Використовували три агрохімічних фона. Вносили традиційні мінеральні добрива: аміачну селітру, суперфосфат гранульований та 40% калійну сіль. Важкі метали вносили у вигляді нітратів свинцю та кадмію.

Крім вивчення впливу мінеральних добрив і вапна, внесених врозкид, на процеси транслокації свинцю і кадмію з ґрунту у сільськогосподарські культури, вивчали також дію їх локального внесення. Для цього проводили мікропольовий дослід на чорноземі опідзоленому з ячменем і кукурудзою за схемою, яку наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Мікропольовий дослід 2. Вплив агрохімікатів і способів їх внесення на блокування рослинами кадмію та свинцю за навантажень, що зростають, на одиницю площі чорнозему опідзоленого важкосуглинкового (1997 - 1999 рр.)

№

п/п | Фон забруднення, мг/кг ґрунту | Мінеральні добрива, кг/га | Спосіб внесення | Вапно

Cd | Pb | N | Р2О5 | К2О | СаСО3,

кг/га | Спосіб внесення

1 | Без добрив і ВМ (контроль) | - | - | - | - | - | -

2 | 50 | 1000 | - | - | - | - | - | -

3 | 50 | 1000 | 60 | 60 | 60 | врозкид

4 | 50 | 1000 | 60 | 60 | 60 | локально

5 | 50 | 1000 | 60 | 60 | 60 | локально | 150 | врозкид

6 | 50 | 1000 | 60 | 60 | 60 | локально | 150 | локально

Площа ділянок у дослідах становила 1 м2 (1 м х 1 м), ширина захисних смуг - 1 м. Повторення досліду - 4- разове.

Під час проведення досліду за основними фазами розвитку сільськогосподарських культур відбирали рослинні зразки, у яких визначили вміст важких металів у коренях, листі, стеблах, колосі та у зерні - ячменю, у коренях, листі, стеблах, качанах - кукурудзи.

Вегетаційний дослід 1 (1995-1997 рр.) з вивчення закономірностей транслокації свинцю і кадмію у рослини вівса при використанні меліорантів на основі бентонітів і цеолітів проводили з культурою вівса у посудинах ємністю 800 см3. Ґрунт - чорнозем типовий, важкосуглинковий. Маса ґрунту 500 г. Використовувала солі важких металів: Pb(NO3)2, CdSO4 та ZnSO4 із розрахунку десятиразового перевищення ГДК для валових форм цих елементів. Цеоліт та бентоніт вносили із розрахунку 10% від маси ґрунту. Вапно домішували із розрахунку 2 т на га, фосфоритне борошно із розрахунку 120 кг д. р. на 1 га, гній 40 т на 1 га, сапропель 20 т на 1 га, аміачну селітру 120 кг на 1 га. Дослід проводили протягом 30 днів. Повторення досліду - 4- разове.

Таблиця 4.

Вегетаційний дослід 1. Вплив добрив і сорбент-меліорантів на блокування важких металів рослинами вівса на чорноземі типовому важкосуглинковому (1995 – 1997 рр.)

№№ варіантів | Варіант

1 | Без добрив і ВМ (контроль)

2 | Pb + Cd + Zn

3 | Pb + Cd + Zn + цеоліт

4 | Pb + Cd + Zn + бентоніт

5 | Pb + Cd + Zn + СаСО3

6 | Pb + Cd + Zn + фосфоритне борошно

7 | Pb + Cd + Zn + гній

8 | Pb + Cd + Zn + сапропель

9 | Pb + Cd + Zn + NH4NO3

10 | Pb + Cd + Zn + цеоліт + СаСО3 + NH4NO3

11 | Pb + Cd + Zn + цеоліт + фосфоритне борошно гній

12 | Pb + Cd + Zn + цеоліт + фосфоритне борошно + сапропель

13 | Pb + Cd + Zn + бентоніт + СаСО3 + NH4NO3

14 | Pb + Cd + Zn + бентоніт + фосфоритне борошно + гній

15 | Pb + Cd + Zn + бентоніт + фосфоритне борошно + сапропель

Вегетаційний дослід 2 (1998 – 2000 рр.) з виявлення спроможності кореневої системи ячменю знижувати надходження свинцю в генеративні органи за високих рівнів його вмісту у ґрунті. Ґрунт, який використовували, - чорнозем типовий важкосуглинковий. Випробували такі рівні забруднення свинцем ґрунту при вирощуванні ячменю до фази повної стиглості: 1) Без ВМ (контроль); далі із забрудненням сполуками свинцю, в мг/кг ґрунту: 2) 50, 3) 100, 4) 250, 5) 500, 6) 1000, 7) 1500. Повторення досліду - 4- разове.

Дослід проводили у посудинах ємністю 6000 см3, маса ґрунту 5 кг. У якості важких металів використовували Pb(NO3)2.

Для визначення важких металів у рослинах і ґрунтах використовували атомно-абсорбційний метод аналізу. Кислоторозчинні та рухомі форми важких металів визначали методом атомно-абсорбційної спектрометрії на приладі С-115. Для екстракції кислоторозчинних форм використовували розчин 1 н HCl, рухомих - ацетатно-амонійний буферний (ААБ) розчин з рН 4,8 (за М.К. Крупським і Г.М. Александровою). Для оцінки ступеню забруднення ґрунту використовували ГДК вмісту рухомих форм важких металів згідно СанПіН 42-128-4433 87. Вміст нітратного азоту у ґрунті визначали методом дистиляції, рухомого фосфору – за Чириковим колориметрично, вміст обмінного калію – за Чириковим на полум'яному фотометрі ПАЖ-2М. Вміст гумусу визначали за Тюріним і Кононовою, суму увібраних основ – за Каппеном-Гильковіцем; обмінний кальцій - трилонометричним методом.

Вміст важких металів у сільськогосподарських рослинах визначали в зольному розчині після попереднього підготування рослин шляхом висушування сирого рослинного матеріалу, подрібнення та його сухого озоління в муфельній печі (t = 450-550оС), розчинення золи у 10% HCl. Для оцінки якості зернової продукції за вмістом важких металів використовували загальноприйняті ГДК. У рослинних зразках визначали вміст азоту, фосфору і калію за методикою Гінзбург, Щеглової. Вміст сирого білка в зерні і вегетативних органах рослин - за ДСТ 10346 - 64.

Мікропольові та вегетаційні досліди проведено згідно правил і вимог стандартної методики при дотриманні оптимальних агротехнічних строків та якості. Математичну обробку результатів досліджень проводили за допомогою регресійного та дисперсійного багатофакторних аналізів з використанням пакетів стандартних програм “Excel” та “Statistica”.

Вплив техногенного забруднення грунтів кадмієм і свинцем на формування врожайності зерна ячменю і зеленої маси кукурудзи на силос та фізіологічна роль агрохімікатів в її реалізації. Основним показником будь-якого заходу при вирощуванні сільськогосподарських культур є урожайність та якість вирощеної продукції. Висока фітотоксичність важких металів, як встановлено багаточисельними дослідженнями, знижує продуктивність рослин в середньому на 10%, а, зокрема, кадмій – на 15, свинець – до 35% (Ю.В.Алексеєв, 1987; F. Bingham L. at al., 1983).

Результати досліджень, проведених на чорноземі опідзоленому важкосуглинковому в 1994-1996 рр., показують зниження урожайності зерна ячменю при рівні насичення ґрунту Cd 50 мг/кг - на 9%, Cd 100 мг/кг - ґрунту – на 14,4% на штучно створених фонах забруднення орного шару. При створенні фону Pb 1000 і Pb 1500 мг/кг ґрунту – відповідно на 9 і 16,4% порівняно з незабрудненим ґрунтом, що свідчить про пряму залежність між посиленням навантажень важкого металу і зниження врожайності зерна ячменю.

Явище зниження продуктивності вирощених сільськогосподарських культур на високозабруднених фонах кадмієм і свинцем пов'язане з посиленням стрес-факторів, що створюють несприятливі умови обміну речовин, викликаючи зростання активної сорбції в процесі мінерального живлення рослин. Подолання енергетичних бар'єрів в системі ґрунт-рослина, як показали наші дослідження, відбувається під впливом адаптивних чинників, до яких відносяться внесення мінеральних добрив з посиленням їх дії за комплексного використання на чорноземі з кислою реакцією грунтового розчину підтримувальної дози вапна, а нейтрального – поєднання сорбент-меліорантів з органічними і мінеральними добривами.

Використання мінеральних добрив на чорноземі опідзоленому з високим рівнем забруднення важкими металами помітно знижує їх фітотоксичну дію на формування урожайності сільськогосподарських культур. При вирощуванні ярого ячменю оптимальною дозою мінеральних добрив, як і для незабруднених важкими металами ґрунтів чорноземного типу, виявилось внесення N60Р60К60, де приріст врожаю зерна ячменю по відношенню до контролю без добрив і важких металів становив 4,8 ц/га або 23% за врожайності на контролі 20,7 ц/га. Проте, ефективність добрив зростала майже вдвічі за додаткового внесення по фону цієї дози добрив підтримувального вапнування у кількості 150 кг/га CaCO3, з додатковим одержанням врожаю по фону кадмієвого забруднення 7,2 і по фону свинцевого – 8,0 ц/га. Проте із зростанням вмісту кадмію в орному шарі ґрунту удвічі, а свинцю в 1,5 рази прирости зерна знизились більше ніж на третину порівняно з нижчим фоном забруднення (табл. 5, 6).

Таблиця 5

Вплив різних рівнів забруднення чорнозему опідзоленого важкосуглинистого сполуками кадмію та доз мінеральних добрив, що зростають, на формування врожайності зерна ячменю і зеленої маси кукурудзи, середнє за 1994-1996 рр.

№

п/п | Варіант | Ячмінь | Кукурудза

1994 р. | 1995 р. | 1996 р. | сере-днє | 1994 р. | 1995 р. | 1996 р. | сере-днє

1 | Без добрив і ВМ (контроль) | 27,9 | 18,7 | 19,7 | 22,1 | 786 | 699 | 681 | 722

2 | Cd 50 мг/кг ґрунту | 25,5 | 16,2 | 18,6 | 20,1 | 711 | 623 | 571 | 635

3 | Cd 100 мг/кг ґрунту | 23,1 | 15,1 | 18,5 | 18,9 | 674 | 582 | 544 | 600

4 | Cd 50 + N30P30K30 | 30,2 | 20,6 | 19,7 | 23,5 | 987 | 784 | 701 | 794

5 | Cd 50 + N60P60K60 | 33,3 | 22,2 | 22,5 | 26,0 | 1056 | 954 | 870 | 960

6 | Cd 50 + N90P90K90 | 33,0 | 24,9 | 22,8 | 26,9 | 1013 | 896 | 827 | 912

7 | Cd 100 + N30P30K30 | 33,6 | 21,3 | 20,7 | 25,2 | 764 | 576 | 505 | 615

8 | Cd 100 + N60P60K60 | 37,4 | 23,5 | 22,8 | 27,9 | 1022 | 891 | 802 | 905

9 | Cd 100 + N90P90K90 | 37,9 | 24,0 | 23,6 | 28,5 | 946 | 792 | 761 | 833

10 | Cd 50 + N30P30K30 + СаСО3* | 32,6 | 19,3 | 19,1 | 24,0 | 902 | 786 | 763 | 817

11 | Cd 50 + N60P60K60+ СаСО3 | 37,1 | 25,7 | 25,1 | 29,3 | 1155 | 1116 | 993 | 1088

12 | Cd 50 + N90P90K90+ СаСО3 | 36,4 | 24,9 | 22,1 | 27,8 | 1096 | 954 | 902 | 984

13 | Cd 100 + N30P30K30+ СаСО3 | 34,2 | 22,5 | 21,6 | 26,1 | 868 | 712 | 613 | 731

14 | Cd 100 + N60P60K60+ СаСО3 | 37,7 | 21,9 | 25,0 | 28,2 | 1048 | 867 | 812 | 909

15 | Cd 100 + N90P90K90+ СаСО3 | 38,5 | 22,6 | 24,1 | 28,4 | 1017 | 873 | 786 | 892

НІР05 | 08 | 04 | 03 | 14 | 19 | 16

СаСО3* - з розрахунку 150 кг/га

Блокування надходження важких металів в генеративні органи рослин пов'язано із захисною їх функцією, адже їх транспортування відбувається у вегетативних органах (коріння, стебло) через провідну систему рослин – ксилему і флоему, безпосередньо впливаючи на проникність клітинних мембран (Ю.В.Алексеєв, 1987). Цей механізм фітотоксичності встановлено нами на моделі вирощування в забрудненому ґрунтовому середовищі важкими металами кукурудзи на зелену масу в умовах мікропольового досліду на чорноземі опідзоленому важкосуглинковому. На варіантах з кадмієвим і свинцевим забрудненням без застосування добрив урожайність зеленої маси, порівняно з контролем без добрив і важких металів на фоні Cd 50 мг/кг ґрунту знизилась на 12, Cd 100 мг/кг – на 16,8%, а солі свинцю по фону Pb 1000 мг/кг ґрунту – 27 і Pb 1500 мг/кг – 32,1%. Отже, порівнюючи фітотоксичну природу важких металів обох культур, можна константувати, що за впливом кадмію зниження врожаю зеленої маси кукурудзи порівняно з зерном ячменю, відбувалось в межах 25%, а за впливом свинцю - вдвічі і втричі нижче.

Таблиця 6

Вплив різних рівнів забруднення чорнозему опідзоленого важкосуглинистого сполуками свинцю та доз мінеральних добрив, що зростають, на формування врожайності зерна ячменю і зеленої маси кукурудзи, середнє за 1994-1996 рр.

№

п/п | Варіант | Ячмінь | Кукурудза

1994 р. | 1995 р. | 1996 р. | серед-нє | 1994 р. | 1995 р. | 1996 р. | серед-нє

1 | Без добрив і ВМ (контроль) | 26,3 | 17,3 | 18,5 | 20,7 | 811 | 652 | 622 | 695

2 | Pb 1000 мг/кг ґрунту | 24,2 | 15,9 | 16,4 | 18,8 | 602 | 481 | 432 | 505

3 | Pb 1500 мг/кг ґрунту | 25,2 | 13,7 | 12,9 | 17,3 | 572 | 443 | 401 | 472

4 | Pb 1000 + N30P30K30 | 30,5 | 20,2 | 17,8 | 22,8 | 620 | 537 | 562 | 573

5 | Pb 1000 + N60P60K60 | 32,4 | 21,3 | 22,7 | 25,5 | 696 | 602 | 616 | 638

6 | Pb 1000 + N90P90K90 | 32,5 | 23,9 | 21,0 | 25,8 | 669 | 556 | 551 | 592

7 | Pb 1500 + N30P30K30 | 29,3 | 21,1 | 23,1 | 24,5 | 528 | 448 | 428 | 468

8 | Pb 1500 + N60P60K60 | 36,2 | 22,4 | 20,9 | 26,5 | 717 | 549 | 621 | 629

9 | Pb 1500 + N90P90K90 | 34,9 | 22,5 | 22,4 | 26,6 | 574 | 482 | 492 | 516

10 | Pb 1000 + N30P30K30+ СаСО3 | 30,3 | 20,7 | 19,2 | 23,4 | 798 | 677 | 697 | 724

11 | Pb 1000 + N60P60K60+ СаСО3 | 36,3 | 24,4 | 25,4 | 28,7 | 946 | 845 | 900 | 897

12 | Pb 1000 + N90P90K90+ СаСО3 | 34,7 | 20,5 | 24,6 | 26,6 | 833 | 784 | 702 | 773

13 | Pb 1500 + N30P30K30+ СаСО3 | 32,9 | 21,5 | 21,5 | 25,3 | 729 | 682 | 641 | 684

14 | Pb 1500 + N60P60K60+ СаСО3 | 32,7 | 24,8 | 23,5 | 27,0 | 855 | 744 | 699 | 766

15 | Pb 1500 + N90P90K90+ СаСО3 | 31,5 | 24,0 | 25,1 | 26,9 | 775 | 688 | 643 | 702

НІР05 | 04 | 03 | 02 | 1,5 | 19 | 17 | 10 | 126

Проте, при вирощуванні кукурудзи на силос у подоланні енергетичних бар'єрів на забруднених важкими металами землях вирішальне значення має комплексне використання агрохімікатів. При цьому, діапазон толерантності мінеральних добрив не співпадає ні з низьким (N40Р40К40), ні з високим (N120Р120К120) фоном мінеральних добрив. Йому відповідають умови середнього рівня мінерального живлення рослин – N80Р80К80, що співпадає з рекомендованими мінімально-оптимальними дозами для умов виробництва. Сформовану високу продуктивність кукурудзи слід пояснити сприятливими погодними умовами і проявом крайового ефекту мікропольового досліду, де ділянки були ізольовані просторово одна від одної. При врожайності зеленої маси на контролі без добрив і ВМ 722 ц/га прирости від застосування оптимальної дози по фону Cd 50 мг/кг ґрунту становили 238 ц/га, а по фону підтримувальної дози вапна (150 кг/га СаСО3) – 365 ц/га, або відповідно на 33 і 51% вище порівняно з чистим контролем, та на 51 і 71% вище порівняно з забрудненим фоном.

Протекторна роль підтримувальної дози вапна очевидна, адже по його фону приріст зеленої маси був на 19% вищим, ніж при застосуванні аналогічної дози добрив без фону вапна. Пояснення такого ефекту слід шукати в біохімічних процесах зв'язування кальцієм солей кадмію у важкорозчинні сполуки. Ще помітнішим виявилось зниження фітотоксичності під впливом вапна на свинцевому фоні забруднення ґрунту: без внесення СаСО3 на трьох фонах мінеральних добрив від'ємний ефект становив 8-15% щодо зниження врожаю по відношенню до чистого фону, при внесенні вапна на фоні N80Р80К80 приріст врожаю зеленої маси становив 202 ц/га або ж 29%, а від внесення меліоранта –на 46%.

Отже, при вирощуванні зернових і просапних культур на чорноземах опідзолених, забруднених важкими металами, необхідним технологічним заходом є внесення підтримувальних доз вапна на фоні помірного мінерального удобрення.

Для оптимізації умов мінерального живлення рослин на забруднених землях кадмієм і свинцем нами проведено вивчення розкидного і локального внесення мінеральних добрив і вапна. Встановлено, що при локалізації агрохімікатів в орному шарі ґрунту створюється "зона комфорту" для розвитку кореневої системи рослин і відбувається блокування важких металів внаслідок створення важкорозчинних їх сполук в локалізованому просторі. При середній врожайності зерна ячменю в мікропольовому досліді на чорноземі опідзоленому (1997-1999 рр.) в кількості 21,3 ц/га на фоні Cd 50 мг/кг ґрунту приріст врожаю зерна від локального внесення N60Р60К60 становив 7,3 ц/га і додатково при локальному застосуванні підтримувального вапнування (150 кг/га СаСО3) – 11,2 ц/га, відповідно кукурудзи 81 і 147 ц/га зеленої маси.

Про перспективність використання на забруднених землях важкими металами широкого спектру агрохімікатів органічного і мінерального походження свідчать результати вегетаційного досліду, проведеного в посудинах з чорноземом типовим важкосуглинковим із створенням високого фону штучного забруднення свинцем, кадмієм і цинком. В контрольованих умовах вегетаційного досліду встановлено, що при вирощуванні тестової культури вівса найвищу протекторну дію і найвищий фітомеліоративний ефект забезпечує комплексне використання органічних і мінеральних компонентів. Зокрема, поєднання бентоніту з вапном і аміачною селітрою, або з фосфоритним борошном і гноєм чи озерним сапропелем збільшує урожайність рослин вівса в 3,0-3,1 рази, порівняно з чистим фоном, а з забрудненим – в 5,7-5,9 рази.

Таким чином, комплексне використання мінеральних і органічних добрив, вапна, сорбент-меліорантів є невід'ємною частиною технологій вирощування сільськогосподарських культур на забруднених територіях важкими металами.

Вплив техногенного забруднення ґрунтів важкими металами на надходження кадмію і свинцю у вегетативні і генеративні органи рослин. Кругообіг речовин в рослині здійснюється через її кореневу систему і надземну частину у вигляді мінеральних солей, органічних речовин, потоку йонів і обміну води. Важкі метали здійснюють катіонний обмін, потік яких відбувається в середину клітини проти електрохімічного градієнта, включаючи механізм активної сорбції. Транспортування катіонів через ксилему і флоему обумовлює і розподіл важких металів в органах рослини (М.М.Городній та ін., 2001).

Дослідженнями встановлено, що головним фактором, який обумовлює зниження находження елементів-забруднювачів у генеративні органи вирощуваних культур, є їх коренева система (рис.1, 2). Впливовим фактором в цьому відношенні є також застосування вапна. Зокрема, додавання вапна до мінеральних добрив, що вносили в дозі N30P30K30 дозволяло знизити вміст кадмію в листках і стеблах ячменю удвічі, а в коренях – у три рази.

Встановлено, що коренева система ячменю здатна блокувати свинець у діапазоні рівнів забруднення: 0 - 250 мг/1000 кг ґрунту, і він не потрапляє у генеративні органи ячменю. Для оцінки небезпеки проникнення свинцю у генеративні органи ячменю запропоновано використовувати співвідношення: Вс. : Вк. = Кст, де Вс - вміст свинцю в стеблах рослини, Вк - вміст свинцю в коренях рослини, Кст – коефіцієнт стійкості. Доведено, що при утриманні цього співвідношення у межах від 0 до 0,34 коренева система ячменю здатна помітно зменшити надходження Рb у надземну масу ( рис 3).

Одним з ефективних заходів із зниження надходження важких металів у сільськогосподарські рослини є застосування комплексних сорбент меліорантів – бентонітів і цеолітів. Встановлено, що позитивну дію бентонітів і цеолітів посилювали мінеральні і органічні добрива. Найбільший ефект у зменшенні надходження свинцю і кадмію у рослини вівса забезпечує використання суміші бентоніту, вапна та азотних добрив.

Вплив локального внесення мінеральних добрив на врожайність і блокування важких металів у рослинах ярого ячменю і кукурудзи. В мікропольовому досліді на чорноземі опідзоленому встановлено, що за локального внесення мінеральних добрив у ґрунті створюються осередки підвищеної концентрації елементів живлення рослин, навколо яких і розташовується в основному коренева система сільськогосподарських культур. Внаслідок цього будова кореневої системи рослин стає більш компактною, ніж за розкидного внесення туків, завдяки чому вона має менший контакт з об’ємом забрудненого ґрунту. При локалізації дози N60P60K60 забезпечується зниження вмісту кадмію в корінні ячменю на 0,73 мг/кг сухої речовини, у корінні кукурудзи – на 0,28 мг/кг сухої речовини. Вміст свинцю в корінні ячменю за рахунок локалізації добрив знижувався на 1,51, а в коренях кукурудзи – 3,87 мг/кг сухої речовини.

Однак, мінеральні добрива самі по собі не можуть призупинити надходження важких металів у сільськогосподарські культури, їх слід використовувати у комплексі з іншими заходами із зменшення токсичної дії елементів-забруднювачів, зокрема вапном. Встановлено, що позитивна дія вапна обмежувалася рівнем забруднення ґрунту важкими металами. Доведено, що ефективність дії вапна посилюється за умов його локального внесення з мінеральними добривами.

Вплив кадмію і свинцю на хімічний склад ячменю і кукурудзи. Забруднення ґрунтів важкими металами і їх надходження в сільськогосподарські культури в значних кількостях порушує вміст і співвідношення біогенних елементів в рослинах. Зміни вмісту цинку, нікелю, кобальту, заліза, марганцю, міді, хрому, у рослинах ячменю і кукурудзи обумовлено впливом свинцю та кадмію, причому характер дії для окремих мікроелементів проявлявся по різному. Забруднення ґрунту важкими металами деформує механізм надходження заліза в рослини ячменю, а саме, призводить до різкого зниження його вмісту в зерні. Застосування вапна сприяє створенню у ґрунті недоступних рослинам сполук свинцю і кадмію, послабленню їх блокуючої дії по відношенню до заліза. Помітно змінюється і вміст марганцю, з підвищенням його вмісту на варіантах з внесенням вапна, що можна вважати винятком, адже відомо, що марганець доступніший рослинам в кислому середовищі. Пояснення цього слід шукати у порушенні механізму живлення рослин залізом. Підвищення вмісту заліза в рослинах до оптимальних значень за рахунок вапна дозволяє збільшити і