Нитраты и тяжелые металлы в агроценозах при длительном применении органических удобрений

Полный текст

Введение

В обеспечении продовольственной безопасности страны большое внимание уделяется внедрению современных агротехнологий, в том числе включающих применение биологизированных систем удобрения с использованием навоза и других побочных продуктов животноводства. Вовлечение таких продуктов в сельскохозяйственный оборот может служить одним из главных факторов улучшения плодородия пахотных земель, роста производства высококачественной продукции растениеводства при эффективной защите окружающей среды [1, 2].

В последние годы выход навоза и птичьего помета заметно увеличивается благодаря строительству и реконструкции животноводческих комплексов. В Российской Федерации насчитывается ≈14.6 тыс. животноводческих сельскохозяйственных организаций, в том числе специализирующихся на содержании крупного рогатого скота – ≈9 тыс., свиней – 1.5 тыс., птицы – 0.9 тыс. В сельскохозяйственных организациях ежегодно образуется ≈180 млн т побочных продуктов животноводства, характеризующихся высокой удобрительной ценностью, наличием органического вещества и необходимых для растений питательных элементов.

Рядом научных учреждений (ВНИИ агрохимии им. Д. Н. Прянишникова, ВНИИ органических удобрений и торфа и др.) разработаны научные основы биологизированных агротехнологий с использованием органических удобрений, позволяющие успешно применять их на сельскохозяйственных полях [2, 3–5]. Вместе с этим, нарушение практических рекомендаций, в частности, завышение доз внесения удобрений, может повлечь за собой негативные последствия, такие как избыточное накопление в почве и растениеводческой продукции различных токсических веществ – нитратов, тяжелых металлов и др. [6, 7].

Цель работы – в полевых опытах с применением полужидкого бесподстилочного и подстилочного навоза крупного рогатого скота оценили их действие в системе почва–растение как с агрохимических, так и экологических позиций, в частности, определили влияние внесения навоза на загрязнение почв и растительной продукции нитратами и тяжелыми металлами.

Методика исследования

Исследование проводили в полевых опытах на дерново-подзолистых почвах в Московской и Смоленской обл. Нечерноземной зоны Российской Федерации. В качестве органических удобрений использовали навоз крупного рогатого скота различной влажности. Из минеральных удобрений применяли аммоний азотнокислый (N_aa), суперфосфат (P_cд) и калий хлористый (K_х).

В длительном полевом опыте в Московской обл. (1986–1992 гг.) исследовали действие полужидкого бесподстилочного навоза крупного рогатого скота при ежегодном внесении под культуры кормового севооборота. Навоз влажностью 90% содержал в среднем 0.33% общего азота, 0.43% K₂O, 0.16% P₂O₅, 0.6 мг Zn/кг, 0.2 мг Cu/кг, 0.2 мг Co/кг, 4.1 мг Mn/кг.

В длительном полевом опыте в Смоленской обл. (1979–2016 гг.) изучали агроэкологическую эффективность длительного применения подстилочного навоза крупного рогатого скота в полевом севообороте. При влажности 70% навоз содержал 0.5% общего азота, 0.2% P₂O₅ и 0.7% К₂О, 60% органического вещества при отношении C : N, равном 20. Валовое содержание тяжелых металлов (ТМ) в навозе было невысоким: 0.1 мг Cd/кг, 1 мг Cr/ кг, 1.0 мг Ni/кг, 0.6 мг Cu/кг, 7 мг Zn/кг в расчете на сухое вещество.

Полевые эксперименты закладывали и проводили в соответствии с методическими указаниями Географической сети опытов с удобрениями ВНИИ агрохимии им. Д. Н. Прянишникова и методикой Б. А. Доспехова [8–10]. Более подробно методика исследования в опытах приведена при обсуждении их результатов.

Результаты и их обсуждение

В полевом опыте ВНИИ агрохимии им. Д. Н. Прянишникова, выполненном в Московской обл. (пос. Барыбино), исследовали длительное действие полужидкого навоза крупного рогатого скота на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве. Почва содержала 2.2% гумуса, была слабо обеспечена подвижными соединениями фосфора и калия. Исследование вели в кормовом севообороте с возделыванием кукурузы в 2-х полях, викоовсяной смеси, многолетних злаковых трав 2-х лет пользования. Изучали возрастающие дозы навоза, а также системы удобрения: органическую (навоз 2 дозы, соответствующие N240), минеральную (NPK эквивалентно 2-м дозам навоза) и органо-минеральную (навоз 1 доза + NPK эквивалентно 1-й дозе навоза) с выровненным количеством основных питательных веществ. Удобрения в вариантах опыта вносили ежегодно в течение 3-х ротаций севооборота. Единичная доза навоза по содержанию азота соответствовала 120 кг N/га.

Опыт был заложен в четырехкратной повторности. Общая площадь делянки 96 м². Размещение вариантов рендомизированное. Учет урожая проводили поделяночно сплошным методом.

В опыте возделывали среднеранний гибрид кукурузы Днепровский 547 МВ, вику Льговскую, овес Орел, травосмесь, состоящую из тимофеевки луговой, овсяницы луговой, костреца безостого и ежи сборной.

Согласно результатам исследования, с ростом доз бесподстилочного навоза при длительном его применении среднегодовая продуктивность кормового севооборота возрастала с 7.28 т з. е./га в варианте с одной дозой до 10.3 т з. е./га при четырехкратной дозе, соответствующей N580 (рис. 1).

Дальнейший рост дозы навоза не приводил к достоверному увеличению продуктивности возделываемых культур. Окупаемость 1 т навоза прибавкой урожая с возрастанием дозы понижалась с 64 до 36 кг з. е. При этом на уровне нормативной (50 кг з. е. в расчете на 1 т навоза) она была при внесении навоза в двойной дозе (N240).

Рис. 1. Влияние возрастающих доз полужидкого навоза на продуктивность севооборота и окупаемость 1 т навоза.

Сравнительный анализ показал, что в вариантах исследованных систем удобрения (органической, минеральной и органо-минеральной), соответствующих по содержанию азота 240 кг/га, была получена урожайность культур севооборота в среднем за год соответственно 8.50, 9.86 и 9.84 т з. е./ га, что больше контроля без внесения удобрений на 69– 96%. При этом органическая система в варианте 2-х доз навоза по продуктивности севооборота уступала минеральной и органо-минеральной системам на 16%.

При рассмотрении действия ежегодно вносимого навоза на химический состав возделываемых культур установлено его положительное влияние на содержание в них сырого протеина (табл. 1).

Причем с ростом доз навоза прослежена тенденция к улучшению протеиновой питательности у кукурузы и многолетних злаковых трав. Более высокие показатели содержания протеина в кормовой массе наблюдали у всех культур при внесении минеральных удобрений.

Важно отметить, что повышение дозы навоза с единичной до пятикратной увеличивало накопление нитратного азота в зеленой массе кукурузы, а также в викоовсяной смеси и многолетних травах. Однако интенсивнее всего накапливался нитратный азот в кормах при применении полного минерального удобрения. Что касается меди и цинка, то их содержание в растительной массе испытанных культур мало изменялось при возрастании доз навоза, но, как правило, повышалось в вариантах с минеральными удобрениями.

В целом можно утверждать, что во всех вариантах применения органических и минеральных удобрений содержание нитратов и ТМ (меди и цинка) в биомассе кормовых культур вполне соответствовало зоотехническим нормам кормления животных.

Ежегодное применение навоза в умеренных дозах положительно влияло на плодородие дерново-подзолистой почвы, оптимизировало ее гумусовое состояние и повышало обеспеченность подвижными соединениями фосфора и калия, что следует из данных, полученных в конце проведения полевого опыта (табл. 2).

Содержание минерального азота в пахотном слое почвы находилось в зависимости от возрастающих доз полужидкого навоза. Однако при ежегодном внесении даже высоких доз навоза в течение 3-х ротаций 5-польного севооборота загрязнения почвы нитратами не наблюдали. В варианте с максимальной, 5-кратной дозой навоза, соответствующей N600, содержание нитратного азота не превышало 17.6 мг/кг, что в 1.6 раза меньше ПДК, составляющей 29 мг N-NO₃/кг, или 130 мг NO₃^-/кг (СанПиН 1.2.3685-21).

Заметных изменений в содержании подвижных меди и цинка в почве с ростом доз полужидкого навоза не отмечено (табл. 3).

При использовании средств химизации важное значение в экологическом отношении придается миграции нитратов по почвенному профилю. В приведенном полевом опыте определяли содержание нитратов в почве в слоях 0–100, 100–200, 200–300 и 300–400 см. При этом была выявлена четкая зависимость изменения данного показателя от вида удобрений и количества внесенного азота (рис. 2).

Таблица 1. Химический состав кормовых культур в зависимости от доз и сочетаний полужидкого навоза и минеральных удобрений

Таблица 2. Влияние длительного применения удобрений на свойства дерново-подзолистой почвы

Таблица 3. Содержание подвижных форм азота и тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве при внесении возрастающих доз полужидкого навоза, мг/кг

Рис. 2. Миграция нитратов по почвенному профилю в зависимости от применения навоза и минеральных удобрений.

По сравнению с контролем, где в верхнем слое 0–100 см почвы содержание нитратов составило 13.2, в глубоком слое 300–400 см – 30.8 мг NO₃^- / кг, отмечено повышение его содержания при внесении двойной дозы навоза (N240) соответственно до 17.6 и 48.4 мг NO₃^-/кг и еще большее увеличение при 5-кратной дозе навоза (N600) – до 48.4 и 57.2 мг NO₃^-/кг. Особенно сильно накапливались нитраты в варианте одностороннего применения минеральных удобрений (в дозе N240) – до 48.4 и 74.8 мг NO₃^-/кг. Однако даже интенсивное ежегодное внесение полужидкого навоза (в дозе N600) не приводило к накоплению нитратов в почвенном профиле сверх ПДК (130 мг NO₃^-/кг).

Корреляционный анализ также показал зависимость накопления нитратов в почвенных слоях от роста доз внесенного азота, особенно в верхних 0–100 и 100–200 см, где коэффициент r = 0.73 и 0.60 соответственно. Таким образом, исследование показало значимый агроэкологический эффект использования полужидкого навоза крупного рогатого скота в умеренной по содержанию азота дозе (N240), обеспечившей высокую продуктивность кормового севооборота, получение экологически безопасной растительной продукции, а также улучшение агрохимических и санитарно-гигиенических свойств почвы.

Положительные результаты агроэкологической эффективности органических удобрений были получены и в другом длительном опыте, где использовали подстилочный навоз крупного рогатого скота, а также сочетания его с минеральными удобрениями на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве.

Перед закладкой опыта почва содержала: гумуса – 1.4%, подвижного P₂O₅ (по Кирсанову) – 15.9, K₂O – 11.5 мг/кг при рН_KCl 5.9 ед.

Навоз вносили в 1-й ротации севооборота под картофель и озимую пшеницу, во 2-й и 3-й ротациях – под картофель, в 4-й ротации – под озимую рожь. Площадь опытной делянки 112 м², повторность вариантов трехкратная.

В течение 4-х ротаций полевого севооборота общей продолжительностью 30 лет изучали непосредственное действие удобрений, а в последней, 5-й ротации (в течение 7 лет) – последействие ранее внесенных удобрений при поддерживающей ежегодной азотной подкормке фоном в дозе N45.

Исследовали варианты удобрения: 1 – контроль, 2 – минеральная система (N90P90K90), 3 – органическая система (навоз 9 т/га), 4 – органо-минеральная система 1 (N30P30K30 + навоз 3 т/ га), 5 – органо-минеральная система 2 (N60P60K60 + + навоз 6 т/га), 6 – органо-минеральная система 3 (N90P90K90 + навоз 9 т/га), 7 – органо-минеральная система 4 (N120P120K120 + навоз 12 т/га), 8 – органо-минеральная система 5 (N150P150K150 + навоз 15 т/га). Чередование культур в 1-й ротации севооборота: картофель–ячмень–озимая рожь–горохоовсяная смесь–озимая пшеница–ячмень–многолетние травы 2-х лет пользования–озимая рожь–овес; во 2-й и 3-й ротациях: картофель–ячмень–многолетние травы 2-х лет пользования–озимая пшеница–овес; в 4-й и 5-й ротациях: овес на зеленый корм–озимая рожь–ячмень–многолетние травы 2-х лет пользования–яровая пшеница–овес.

Рис. 3. Влияние подстилочного навоза и минеральных удобрений на продуктивность полевого севооборота.

При анализе длительного действия удобрений, в течение 37 лет, были получены достоверные прибавки урожайности полевых культур (при НСР₀₅ = 0.37 т з. е./га) во всех вариантах опыта (рис. 3).

В варианте применения только навоза в двойной дозе, соответствующей внесению 6 т навоза/га ежегодно, средняя продуктивность севооборота составила 2.78 т з. е./га, или на 23% больше контроля. При внесении минеральной системы, а также органо-минеральной системы 2, т. е. в вариантах с таким же количеством питательных элементов, как и в органическом варианте, ежегодная продуктивность севооборота находилась на уровне 3.18 т з. е./га, что на 40.7% превышало контроль без внесения удобрений. Дальнейший рост доз удобрений в органо-минеральных вариантах не сопровождался повышением урожайности культур севооборота.

Следует отметить, что преимущество совместного внесения органических и минеральных удобрений при оптимизации доз перед органической системой подтверждено данными других исследований. Например, в полевом опыте Института органического сельского хозяйства и Федеральной опытной станции по агроэкологии (Швейцария), где изучали различные агротехнологии (внесение только минеральных удобрений, минеральных удобрений на фоне навоза и только навоза), продуктивность 7-польного севооборота (озимая пшеница (2 поля)–многолетние травы (2 поля)–картофель–сахарная свекла–озимый ячмень) в среднем за 21 год в традиционных вариантах была на 20% больше, чем в органическом варианте. При этом отмечали большие изменения продуктивности различных видов культур: от 10% – пшеницы и многолетних трав до 40% – картофеля [11].

В нашем опыте, наряду с продуктивностью севооборота, была проведена оценка качества экологической безопасности растительной продукции при возделывании зерновых культур и картофеля (табл. 4).

Согласно полученным результатам, содержание белка в зерне пшеницы, а также овса в вариантах органической системы удобрения было меньше, чем при использовании минеральной и органо-минеральной систем. В то же время у озимой ржи этот показатель при всех системах удобрения был практически одинаковым, но заметно меньше в контроле, где удобрения не применяли. По содержанию крахмала в клубнях картофеля преимущество оставалось за контрольным и органическим вариантами. В этих же вариантах в картофеле содержалось меньше всего нитратов. В других вариантах удобрения содержание нитратов в клубнях повышалось, но во всех случаях, кроме органо-минерального варианта с максимальными дозами, оно не превышало допустимых норм (250 мг NO₃^- / кг) [12]. Таким образом, повышенное содержание белка в зерновых культурах (озимой и яровой пшенице, озимой ржи, овсе) отмечено при внесении минеральных и органо-минеральных удобрений, а более высокое содержание крахмала и пониженное содержание нитратов в картофеле – в варианте органической системы.

Таблица 4. Влияние навоза и минеральных удобрений на качество растительной продукции

В опыте изучали длительное действие удобрений на гумусовое состояние почвы. Через 37 лет исследования содержание гумуса в почве резко (на 29%) снизилось по сравнению с исходным в контроле, при внесении минеральной и органо-минеральной системы с низкими дозами удобрений и в меньшей мере – в органо-минеральных вариантах с более высокими дозами.

Скорость дегумификации почвенного органического вещества в конце опыта в контроле составляла 0.33 т/га/год. Наибольшей (0.42 т/га/год) она была при внесении одних минеральных удобрений, а в органическом и органо-минеральных вариантах находилась на более низком уровне.

Примененные в опыте удобрения при систематическом внесении влияли на содержание нитратного азота в почве (рис. 4).

В конце 3-й ротации полевого севооборота (в 2000 г.) при возделывании озимой пшеницы отмечено низкое содержание N-NO₃ в пахотном слое почвы (0–20 см) в апреле и его повышение в мае–июле по сравнению апрельскими показателями, причем во всех вариантах опыта, кроме одностороннего внесения навоза. При этом осенью, в октябре при обильных атмосферных осадках, превышающих среднемноголетние нормы, содержание нитратного азота в верхнем слое почвы оставалось на том же уровне, как и в период вегетации, или даже было больше, что наблюдали в варианте применения органо-минеральной системы с высокими дозами удобрений и в контроле.

По окончании опыта в почвенных образцах определяли валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка (табл. 5).

Исследование показало, что длительное применение удобрений под культуры севооборота мало влияло на накопление поллютантов в почве по сравнению с контролем, где удобрения не вносили. Отмечено лишь некоторое повышение содержания кадмия с 0.36 в контроле до 0.44 мг/кг, а также цинка – с 70 до 72 мг/кг при внесении максимальных доз удобрений в варианте применения органо-минеральной системы. Увеличилось также содержание мышьяка при использовании органической и органо-минеральных систем с 3–5-кратными дозами навоза и минеральных удобрений до 0.6–1.1 мг/кг почвы при с 0.4 мг/кг в контроле. При этом, несмотря на систематическое применение удобрений в течение 37 лет, содержание тяжелых металлов и мышьяка в почве ни в одном из вариантов опыта не превышало ПДК/ОДК по СанПиН 1.2.3685-21 [13].

Растениеводческая продукция при внесении удобрений отличалась высоким качеством и была экологически безопасной по содержанию тяжелых металлов и мышьяка (табл. 6).

Например, в зерне овса – культуры, завершающей полевой севооборот, отмечено лишь некоторое увеличение по сравнению с контролем содержания кадмия, свинца и меди, а также мышьяка при внесении минеральной системы и органо-минеральных систем с умеренными и высокими дозами удобрений. Однако в целом в опыте во всех случаях в зерне овса не отмечено превышения допустимых уровней содержания тяжелых металлов и мышьяка.

Таким образом, исследованиями ВНИИ агрохимии им. Д. Н. Прянишникова в длительных полевых опытах с навозом крупного рогатого скота доказана высокая его эффективность при возделывании сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах. Прибавки урожайности культур севооборотов от применения навоза по отношению к контролю составили 16.7–23.0%, от совместного его внесения с минеральными удобрениями при оптимизации доз – 35.2–40.7%, что почти в 2 раза больше, чем при применении органической системы удобрения. Повышалось плодородие почвы, улучшалось ее гумусовое состояние, а также фосфатный и калийный режимы. При этом не отмечено избыточного накопления нитратов, тяжелых металлов и мышьяка в системе почва–растение, что свидетельствовало об экологической безопасности данных агроприемов.

Рис. 4. Содержание нитратного азота в почве в зависимости от различных систем удобрения.

Таблица 5. Содержание тяжелых металлов и мышьяка в дерново-подзолистой почве, мг/кг сухой массы

Таблица 6. Содержание тяжелых металлов и мышьяка в зерне овса в зависимости от интенсивности систем удобрения, мг/кг сухой массы

Выводы

1. В исследованиях с длительным применением органических удобрений (полужидкого и подстилочного навоза крупного рогатого скота) установлено, что при оптимизации доз и сочетаний навоза с минеральными удобрениями достигался высокий агроэкологический эффект, улучшались агрохимические и санитарно-гигиенические свойства почвы, повышались урожайность и качество культур севооборота при исключении рисков загрязнения поллютантами окружающей среды.
2. При длительном ежегодном внесении полужидкого навоза крупного рогатого скота на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве высокая продуктивность кормового севооборота, составившая в среднем за 15 лет 9.6 т з. е./га, что больше контроля на 96%, установлена в варианте применения органо-минеральной системы удобрения с содержанием азота 240 кг/га. Органическая система в варианте с двойной дозой навоза (N240) по продуктивности севооборота уступала органо-минеральной и минеральной системам (с таким же количеством азота) на 16%. Корма, полученные при совместном внесении навоза и минеральных удобрений, характеризовались высокой протеиновой питательностью и экологической безопасностью, не были загрязнены нитратами и тяжелыми металлами. Систематическое применение органо-минеральной системы удобрения с использованием полужидкого навоза в дозе 240 кг N/га повышало в почве содержание гумуса, подвижного фосфора (P₂O₅) и калия (K₂O) и не влияло существенно на накопление тяжелых металлов и нитратов.
3. При исследовании длительного действия возрастающих доз полужидкого навоза (со 120 до 600 кг N/га) установлен рост продуктивности севооборота с 7.28 до 10.3 т з. е./га в вариантах от единичной (N120) до четырехкратной дозы (N580). Дальнейшее увеличение дозы навоза не сопровождалось достоверным повышением продуктивности кормовых культур. Окупаемость 1 т навоза прибавкой урожая с возрастанием дозы снижалась с 64 до 36 кг з.е. Наиболее интенсивно (в 3.7 раза больше, чем в контроле) накапливались нитраты в слое 0–100 см почвы в варианте с максимальной дозой навоза (N600). Однако даже в этом случае не отмечено превышения содержания нитратов в почве сверх ПДК (130 мг NO₃^-/кг). Корреляционный анализ показал зависимость накопления нитратов в почвенных слоях от роста доз внесенного азота, особенно в верхних 0–100 и 100–200 см, при коэффициенте r = 0.73 и 0.60 соответственно.
4. Длительное применение подстилочного навоза было эффективным в сочетании с минеральными удобрениями в вариантах навоз 6–9 т/га + N60–90P60–90K60–90, где ежегодный сбор зерновых единиц в среднем за 37 лет исследований превышал 3 т/га. Растениеводческая продукция при этом отличалась высоким качеством. В зерне содержалось до 14% белка, в клубнях картофеля – до 13% крахмала при допустимом содержании нитратов. Содержание тяжелых металлов (Сd, Pb, Zn, Cu, Ni, Hg) и мышьяка, а также нитратов в почве зависело, как правило, от интенсивности удобрения, но в целом соответствовало предельно допустимым концентрациям (по СанПиН 1.2.3685-21).

Об авторах

Г. Е. Мерзлая

Автор, ответственный за переписку.
Email: lab.organic@mail.ru
Россия, 127434 Москва, ул. Прянишникова, 31 а

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Влияние возрастающих доз полужидкого навоза на продуктивность севооборота и окупаемость 1 т навоза.

Скачать (124KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Миграция нитратов по почвенному профилю в зависимости от применения навоза и минеральных удобрений.

Скачать (132KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Влияние подстилочного навоза и минеральных удобрений на продуктивность полевого севооборота.

Скачать (136KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Содержание нитратного азота в почве в зависимости от различных систем удобрения.

Скачать (215KB)

Метаданные