Influence of mineral fertilizers on the example of diammonium phosphate NP 18:46 on yield of spring rape under conditions of model pollution by heavy metals (lead, cadmium)
Influence of mineral fertilizers on the example of diammonium phosphate NP 18:46 on yield of spring rape under conditions of model pollution by heavy metals (lead, cadmium)
Abstract
In the course of micro-field vegetation experiments on leached black soil with spring rape of Nadezhny 92 variety, the positive effect of ameliorant of inorganic origin on yield under model soil contamination "by wet method" with lead and cadmium ions was found. The increase of rape biomass yield at application of diammonium phosphate (NP 18:46) at a dose of 100 kg/ha – by 11%, diammonium phosphate (NP 18:46) at a dose of 200 kg/ha – by 26% in comparison with the control (without detoxicant) was established. At the same time, the seed yield was more strongly affected by the introduction of heavy metals into the soil than the yield of the vegetative mass of rape. Without the use of mineral fertilizers (control variant) the exceeding of MPC in rape biomass was observed already when 110.6 mg/kg of lead (2 MPC) and 0.57 mg/kg of cadmium (1 MPC) were introduced into the soil. It is shown that there is a reliable (P≤0.01) decrease to the maximum permissible concentration of heavy metals in soil when using diammonium phosphate (NP 18:46) at a dose of 200 kg/ha.
1. Введение
Ингредиентное загрязнение окружающей среды, вызванное в первую очередь попаданием тяжелых металлов в почву сельскохозяйственных угодий, наносит серьезный экологический ущерб , . По мнению авторов , данная проблема характерна и для Красноярского края. При этом особое внимание следует обратить на наиболее токсичные элементы, вызывающие серьезные нарушения жизнедеятельности живых организмов, в частности свинец и кадмий , , . Пути поступления данных металлов в почву обусловлены как естественными эмиссиями (наличие в горных породах, эрозия почв и т.д.), так и с потоками предприятий угледобывающей, металлургической промышленности и энергетического комплекса, бытовыми отходами , , удобрениями вследствие наличия соответствующих примесей в исходном сырье , и определяются рядом факторов: типом и свойствами почвы, ее механическим и химическим составом, значением рН, микрофлорой и т.д .
Красноярский край является регионом-лидером по выращиванию ярового рапса (кользы) и характеризуется постоянным увеличением посевных площадей, что обусловлено его высокой урожайностью, которая достигает 19,0 центнеров с 1 гектара убранной площади, и повышенным содержанием липидов . В то же время имеются работы , свидетельствующие о возможности накопления данной культурой тяжелых металлов в различных органах вследствие извлечения их из загрязненных почв. Так, Коротченко И.С. была показана возможность использования минеральных и органических уравнения для деконтаминации тяжелых металлов при одновременном загрязнении почвы ионами свинца и кадмия .
В связи с вышеизложенным целью данной работы являлась оценка влияния высококонцентрированного безнитратного удобрения с содержанием 18% азота и 46% фосфора (диаммоний фосфат NP 18:46) на урожайность ярового рапса в условиях модельного загрязнения Pb2+ и Cd2+ выщелоченных черноземов Красноярского края.
2. Методы и принципы исследования
Выращивание растений осуществляли на опытных участках, которые представляли собой чернозем выщелоченный с введением «мокрым» методом загрязнителей (свинца (II) сульфат, 99.5% (хч); сульфат кадмия, безводный, 99+%) в концентрации от 1 до 5 значений ПДК в соответствии с СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» в расчете на чистый металл. Толщина слоя почвы варьировалась в пределах 0-20 см. Время инкубации почв после внесения токсикантов составляло 30 дней. Исследования проведены в условиях Березовского района Красноярского края.
В модельные образцы почвы высаживали семена ярового рапса сорта Надежный 92 (масличность 45-47%, урожайность семян до 21,9 ц/га, зеленой массы 315-380 ц/га.), норма высева – 2,5 млн. шт. всхожих семян/га, повторность опыта – четырехкратная.
Испытываемый агрохимикат на рапсе яровом – минеральное удобрение Диаммонийфосфат NP 18:46 (18% азота, 46% фосфора), произведенное фирмой «ФосАгро», Россия. Препаративная форма – гранулы.
Выращенные на контрольном и модельных образцах почвы растения были срезаны в конце вегетационного периода (через 120 дней) и высушены при температуре 23-25 0С в течение 3-5 дней. Содержание ионов свинца и кадмия в образцах растительного сырья проводили в НИЦ ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ с использованием атомно-абсорбционного анализатора PinAAcle 900T.
При статистической обработке результатов исследований использовали программное обеспечение Microsoft Office Excel 2010 (надстройка «Пакет анализа») и Statistica 6,0 for Windows.
3. Основные результаты
Поскольку показателями, характеризующими состоятельность и привлекательность культуры для широкого использования в сельскохозяйственном производство, является урожайность семян и биомасса, после уборки урожая (конец вегетационного периода), было проведено их определение, представленное на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 - Биомасса ярового рапса в микрополевых опытах c контаминацией почвы Pb2+и Cd2+
Рисунок 2 - Урожайность семян ярового рапса в микрополевых опытах c контаминацией почвы Pb2+и Cd2+
Более низкое накопление свинца, по сравнению с кадмием, в рапсе объясняется слабой подвижностью этого элемента. Кадмий же сравнительно быстро поглощается и перемещается в растения (табл. 1).
Таблица 1 - Содержание микроэлементов в надземной биомассе растений рапса в фазу уборки в зависимости от условий агроэкологических опытов
Вариант | Дозы детоксиканта, кг/га | Pb (1…5 ПДК) | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
Контроль (без детоксиканта), мг/кг сухой массы | - | 0,15±0,02 | 0,26±0,05 | 0,38±0,03 | 0,57±0,05 | 0,70±0,07 |
Диаммоний фосфат (NP 18:46), мг/кг сухой массы | 100 | 0,14±0,02 | 0,24±0,04 | 0,36±0,03 | 0,54±0,04 | 0,68±0,07 |
200 | 0,12±0,02 | 0,21±0,04 | 0,33±0,03 | 0,51±0,05 | 0,63±0,06 | |
Фон, мг/кг сухой массы | - | 0,05±0,01 | ||||
МДУ# | - | 0,5 | ||||
Cd (1…5 ПДК) | ||||||
Контроль (без детоксиканта), мг/кг сухой массы | - | 0,03±0,01 | 0,09±0,01 | 0,10±0,01 | 0,14±0,02 | 0,23±0,03 |
Диаммоний фосфат (NP 18:46), мг/кг сухой массы | 100 | 0,03±0,01 | 0,08±0,01 | 0,12±0,02 | 0,15±0,02 | 0,27±0,03 |
200 | 0,02±0,01 | 0,07±0,01 | 0,08±0,01 | 0,09±0,01 | 0,21±0,03 | |
Фон, мг/кг сухой массы | - | 0,02±0,01 | ||||
МДУ# | - | 0,1 | ||||
Примечание: # по ист. [15]
4. Обсуждение
Внесение в почву ионов свинца и кадмия приводит к существенному снижению биомассы рапса (рис.1) по сравнению с растениями, полученными на почвенных образцах с фоновым значением содержания ТМ. Введение минерального удобрения нивелирует негативное влияние поллютантов, при этом максимальная урожайность биомассы ярового рапса достигнута для варианта внесения в почву минерального удобрения – диаммоний фосфат (NP 18:46) в дозе 200 кг/га. На урожай семян (рис.2) введение в почвенные образцы ионов свинца и кадмия оказывает более сильное воздействие по сравнению с урожаем вегетативной массы рапса. Следует отметить, что введение минерального удобрения способствует менее существенному (в отличие от данных, представленных на рисунке 1) повышению урожайности семян по сравнению с образцами, выращенными на контрольных экспериментальных участках и практически не достигает значений, полученных для растений, собранных с опытных площадок, характеризующихся фоновым значением ТМ.
В то же время при оценке содержания ТМ в надземной биомассе растений было установлено существенное влияние контаминации почвы тяжелыми металлами на их аккумуляцию в растениях. При загрязнении модельных образцов почв ионами свинца и кадмия, их поступление в растительное сырье возрастало линейно, пропорционально концентрациям подвижных форм элемента (r=0,95…0,98, Р≤0,01), достигнув максимума при самом высоком уровне загрязнения. Таким образом, было показано, что внесение ионов свинца и кадмия в чернозем выщелоченный в дозах 1–5 ПДК приводит к резкому повышению их концентраций в рапсе, при этом внесение минерального удобрения снижает концентрацию.
5. Заключение
1. Выявлено положительное влияние минерального удобрения диаммонийфосфат (NP 18:46) на урожайность рапса ярового сорта Надежный 92 при контаминации почвы (чернозема выщелоченного) ионами свинца и кадмия. Урожайность биомассы рапса увеличилась при применении мелиоранта в дозе 100 кг/га – на 11%, в дозе 200 кг/га – на 26% по сравнению с контролем (без детоксиканта). На урожай семян ТМ оказали более сильное влияние, чем на урожай вегетативной массы рапса.
2. Без использования мелиоранта (контрольный вариант) превышение МДУ в биомассе рапса наблюдалось уже при внесении в почву 110,6 мг/кг свинца (2 ПДК), 0,57 мг/кг кадмия (1 ПДК). Применение детоксиканта позволило незначительно снизить аккумуляцию ТМ в рапсе. Установлено, что происходит достоверное (P≤0,01) снижение до предельно допустимой концентрации ТМ в почве при использовании диаммония фосфата (NP 18:46) в дозе 200 кг/га при первоначальном загрязнении не превышающем значений 4 ПДК.