Nitrates and heavy metals in agrocenoses with prolonged use of organic fertilizers

Full Text

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).

About the authors

G. E. Merzlaya

Author for correspondence.
Email: lab.organic@mail.ru
Russian Federation, ul. Pryanishnikova 31a, Moscow 127434

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The effect of increasing doses of semi-liquid manure on crop rotation productivity and payback of 1 ton of manure.

Download (124KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Migration of nitrates along the soil profile depending on the application of manure and mineral fertilizers.

Download (132KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The effect of litter manure and mineral fertilizers on the productivity of field crop rotation.

Download (136KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. The content of nitrate nitrogen in the soil depending on different fertilizer systems.

Download (215KB)

Indexing metadata