Дипломная работа: Изучение эффективности различных приемов химической мелиорации чернозема выщелоченного, загрязненного медью
5. Определение подвижных форм меди в почвенных образцах.
Содержание меди в почвенных и растительных образцах определялось на атомно-адсорбционном спектрофотометре.
3.2 Характеристика мелиорантов
В опыте использовали глауконит Усть-Багарякского месторождения (Челябинская область) следующего химического состава: Si2 - 52,89; Al2O3 - 11,83; Fe2O3 - 16,74; MnO - 0,03; MgO - 4,31; СaO - 0,82; K2O - 8,57 и Na2O - 0,14%. Удельный вес глауконита колеблется от 2,3 до 2,9 г/см3. Цвет от светло-, темно-зеленого или почти черного. Используемый в опыте глауконит имел зеленовато-серый цвет. Емкость катионного обмена природных глауконитов колеблется в пределах 250-350 мг-экв. на кг минерала. Используемый в опыте концентрат глауконита имел емкость обмена 450-470 мг-экв. /кг. Как показали лабораторные исследования, опытный образец минерала обладал высокой адсорбционной способностью относительно меди - 781,2 ± 7,5 мг/кг навески. Степень извлечения из кислых растворов 90%, из основных - 84%.
Глауконит, используемый в опыте, характеризуется малым содержанием тяжелых металлов: Cu -5,4; Zn - 38,1; Pb -1,6; Cd - 0,78; Cr - 69,2 и Ag - 13,6 мг на кг, реакция солевой вытяжки - pH 4,8, валовое содержание азота (N) 0,13%, фосфора (P2O5) - 0,09% и калия (К2О) - 1,575.
Для проведения известкования также использовали местный материал - известь, производимую в АО "Мечел" из известняков Сибайского и Тургоякского месторождений. Мелиорант имеет влажность менее 2%, содержит только следы вредных примесей и 97,1% CaCO3. Эффективность данного мелиоранта повышается с уменьшением размера его частиц. Известь является основным материалом, используемым на всех кислых почвах под различные сельскохозяйственные культуры.
Фосфоритная мука представляет собой размолотые природные фосфаты или продукты их обогащения без какой-либо химической переработки. Это порошок серого цвета разных оттенков. Фосфор в фосфоритной муке представлен неусвояемым растениями трехкальциевым фосфатом Ca (PO4) 2.
Растения могут использовать фосфоритную муку только при внесении ее в кислую почву, где под влиянием почвенной кислотности фосфор постепенно переходит в растворимую и доступную для растений форму СаНРО4*2Н2О. Поэтому, чем меньше частицы фосфоритной муки и выше их удельная поверхность и площадь соприкосновения с почвой, тем интенсивнее будут проходить процессы перевода ее в доступное для растений состояние.
Вследствие медленного разложения фосфоритной муки в почве действие ее продолжается несколько лет. Данный мелиорант можно использовать в качестве основного удобрения на кислых почвах в двойной дозе по сравнению с суперфосфатом. Не рекомендуется применять на известкованных почвах и совместно с известью. Недостаток фосфоритной муки - ее пылящие свойства, что значительно затрудняет ее применение.
3.3 Общая характеристика почвы полевого опыта
Первое и важное требование к земельному участку и полевому опыту - типичность или репрезентативность. Земельный участок для будущего опыта должен соответствовать тем условиям, в которых предполагается применить результаты опыта: свойствам, плодородию и рельефу почв, расположенных в данном районе, или даже в других районах, близких по природным условиям.
Второе требование к почвенному участку - однородность его почвенного покрова. Для данных исследований наиболее важным является однородное фоновое (природное) содержание меди, что должно обеспечить достаточную точность опытов.
Почва экспериментального участка, где был заложен севооборот, является однородной на всех полях, что соответствует вышеизложенным требованиям.
Химический анализ полей севооборота по основным характеристикам почвы отражен в таблице 4.
Таблица 4 - Общая характеристика почвы полевого опыта
|
Слой почвы, см |
Показатели | ||||
|
рНсол |
Гумус,% |
Р2О5, мг/100г |
К2О, мг/100 г |
Сu, мг/кг | |
| 0-10 | 5,96 | 7,63 | 13,94 | 18,15 | 0,44 |
| 10-20 | 5,93 | 7,18 | 14,29 | 18,11 | 0,44 |
| 20-40 | 6,01 | 7,00 | 10,26 | 13,36 | 0,58 |
Рассматривая результаты химического анализа по горизонтам, можно отметить, что фоновое содержание меди находится в существенно ниже ПДК (3 мг/кг) незначительно увеличивается с глубиной. Содержание гумуса высокое. Солевая вытяжка почвы соответствует слабокислой реакции. Содержание Р2О5 (по Чирикову) повышенное, а К2О (по Чирикову) высокое.
Данная агрохимическая характеристика почвы показывает состояние экспериментального участка на момент закладки полевого эксперимента.
3.4 Содержание в почве подвижных форм меди
Внесение в почву сульфата меди привело к резкому увеличению содержания подвижных ее форм во всех вариантах опыта. По сравнению с контрольным вариантом, где содержание подвижных форм меди в горизонте 0-20 составило 0,44 мг/кг почвы, а в горизонте 20-40 - 0,58 мг/кг, во втором варианте содержание подвижных форм данного металла увеличилось по слоям в 219 и в 106 раз соответственно. Эти показатели превышают ПДК меди в почве (3 мг/кг) в слое 0-20 в 32 раза и в слое 20-40 в 20 раз.
По сравнению с исходным содержанием меди в почве (вариант 1) после загрязнения ее CuSO4·5H2O произошло увеличение содержания подвижных форм данного металла в среднем на 78,7%. После использования на загрязненных почвах трех сравниваемых мелиорантов, на основании данных таблицы 5 можно сказать, что наиболее активно связывал подвижные формы меди природный адсорбент - глауконит. Внесение 10 т/га обогащенного глауконита (без глины и примесей) уменьшило содержание подвижных форм меди на 24,2%. В свою очередь, внесение 5 т/га извести позволило снизить содержание загрязнителя на 8,8%, а при использовании фосфоритной муки (5 т/га) такого же эффекта удалось добиться всего на 7,6%.
И все-таки не один из применяемых мелиорантов при таком высоком уровне загрязнения почвы медью не смог обеспечить значительного уменьшения подвижности металла. Из таблицы 5 видно, что содержание подвижных форм меди во всех вариантах превосходит ПДК. Таким образом, применение даже таких активных химических мелиорантов, как глауконит, известь, фосфоритная мука не может обеспечить полную химическую детоксикацию тяжелых металлов. Поэтому необходимо исключать выброс тяжелых металлов в окружающую среду, по средствам создания замкнутых циклов производства.
Таблица 5 - Влияние мелиорантов на содержание в почве подвижных форм меди, мг/кг (среднее за три года)
| Вариант | Состав | Содержание в слое | Изменения относительно | ||||
| 0-20 | 20-40 | 0-40 | 1 вар-та | 2 варианта | |||
| мг/кг | мг/кг | % | |||||
| 1. | Почва | 0,44 | 0,58 | 0,51 | - | -78,69 | - |
| 2. | Почва + Сu | 96,63 | 61,78 | 79, 20 | +78,69 | - | 100 |
| 3. | Почва + Сu + глауконит,10 т/га | 76,60 | 43,38 | 60,00 | +59,49 | -19,2 | 75,8 |
| 4. | Почва + Сu + известь, 5 т/га | 83,70 | 58,2 | 72, 20 | +71,69 | -7,0 | 91,2 |
| 5. | Почва + Сu + фосфоритная мука, 5 т/га | 87,28 | 59,15 | 73, 20 | +72,69 | -6,0 | 92,4 |
3.5 Урожайность культур экспериментального севооборота
Как отмечалось в методике в подразделе 3.1 экспериментальный севооборот представлен четырьмя полями, где чередуются зерновые культуры с применением парового агрофона. Чтобы предотвратить превнос в почву дополнительного количества тяжелых металлов, минеральные удобрения на стационаре не применялись, поскольку в их состав металлы входят как загрязнители. Кроме того, минеральные туки - это активные соли, которые могут взаимодействовать с химической составляющей применяемых мелиорантов, тем самым, снижая их мелиорирующее действие.
За годы исследования урожайность тест-культур в контрольном варианте в среднем составила у яровой пшеницы - 1,87 т/га, у ячменя - 1,94 т/га и у овса - 2,26 т/га (табл.6,7). В варианте, где почва подверглась загрязнению медью наблюдалось достаточно резкое снижение урожайности зерна и соломы культур севооборота: на яровой пшенице в 2001 году на 32%, а в 2002 на 33%. Урожайность ячменя при возделывании его на загрязненной медью почве в 2001 году составила 1,51 т/га, что на 26% ниже по сравнению с контрольным вариантом, а в 2002 году снизилась на 29%. То же самое наблюдалось и на овсе, урожайность которого в 2001 году снизилась на 25%, а в 2002 году на 31%.
Действие мелиорантов на урожайность зерна и соломы возделываемых культур проявлялось во всех вариантах опыта, но было неоднозначно. На полях, занятых яровой пшеницей в 2001 году действие мелиорантов проявилось в меньшей степени, хотя рост урожайности зерна и соломы наблюдался в сравнении с вариантом, где мелиоранты не применялись и был доказуем математически.
В 2001 году наибольшие прибавки давало применение глауконита при возделывании ячменя - 0,61 ц/га зерна, при этом различия в прибавках урожая на разных вариантах отчетливо видны и математически достоверны. При применении извести и фосфоритной муки прибавки зерна и соломы ячменя меньше и составляют около 0,4 и 0,6 ц/га соответственно.
Достоверно повышение урожайности при выращивании овса на почвах, мелиорируемых глауконитом. Хотя прибавки здесь в 2001 году небольшие - 0,34 т/га зерна и 0,53 т/га соломы. Действие извести и фосфоритной муки примерно одинаково, разница урожайностей на этих вариантах находится в пределах ошибки опыта.
По эффективности действия на урожайность зерна и соломы яровой пшеницы в 2002 году выделяется глауконит, при его использовании урожайность зерна составляет 1,82 ц/га, соломы - 2,58 ц/га. Хотя влияние данного мелиоранта в сравнении с применением извести находится в пределах ошибки опыта, значение НСР05 составляет 0,08. Урожайность зерна яровой пшеницы в III варианте составляет 1,74 т/га. Действие фосфоритной муки значительно ниже, чем при использовании 10 т/га глауконита. Это подтверждается значениями НСР05.
При возделывании в 2002 году ячменя и овса на почвах, загрязненных медью, лучшее мелиорирующее действие обеспечивает глауконит, что подтверждается наибольшими прибавками урожая: для ячменя - 1,70 т/га, для овса - 2,12 т/га. Следует отметить, что для этих культур можно определить различия в эффективности действия мелиорантов на основе данных величины НСР05. На урожайность зерна и соломы ячменя лучше действует применение фосфоритной муки, чем извести, давая прибавку зерна на 0,13 т/га, а соломы на 0,19 т/га больше.
На основании расчетных данных, приведенных в таблицах 6 и 7, можно сделать вывод, что в вариантах с использованием 10 т/га глауконита достигаются наибольшие прибавки урожая зерна и соломы всех возделываемых в опыте культур.
3.6 Содержание меди в продукции культур севооборота
Не смотря на то, что применяемые мелиоранты снизили содержание доступных растениям форм меди в почве, в тест-культурах происходит аккумуляция тяжелых металлов. Наши исследования подтверждают это. Так, в среднем за годы проведения опыта содержание меди в продукции исследуемых культур, на варианте с загрязнением почвы тяжелыми металлами, значительно превысило природный показатель (МДУ 30 мг/кг). В биомассе яровой пшеницы содержание меди увеличилось почти в 173 раза, ячменя - в 17 раз, овса - в 14раз.
Как показывают расчетные данные, приведенные в таблице 8, при использовании мелиорантов уровень содержания меди в продукции сельскохозяйственных культур снизился до максимально допустимого. Наилучшее мелиорирующее действие наблюдалось в вариантах с внесением 10 т/га глауконита. В данном случае содержание меди в зерне пшеницы и ячменя снизилось примерно на 38 мг/кг, а в зерне овса - на 30,7 мг/кг. Содержание загрязнителя в соломе тест-культур снизилось еще больше и составило на пшенице всего 31% относительно второго варианта; на ячмене и овсе 36,5% и 37,4% соответственно.
Содержание меди в вариантах, мелиорированных известью и фосфоритной мукой выше, чем при применении глауконита. Причем загрязнителя в соломе всех исследуемых культур больше, чем в зерне. Действие извести и фосфоритной муки не привело к снижению меди в зерне и соломе ячменя до максимально допустимого уровня.
Не смотря на то, что применяемые мелиоранты в достаточной степени снижают содержание меди в зерне и соломе возделываемых культур, данную продукцию не рекомендуется использовать для продовольственных целей, так как загрязнение почвы было очень высокое. Зерно будет приемлемо на зернофураж, а солома, как грубый корм для скота.
4. Экономическая оценка применения мелиорантов на почве, загрязненной медью
В настоящее время существует опасность техногенного загрязнения тяжелыми металлами сельскохозяйственных угодий. Для условий Челябинской области особенно актуальна проблема загрязнения почв медью. Попадая в почву, ионы меди вступают в ней в сложные взаимодействия и проявляют свое токсическое действие, что сказывается на общем состоянии почвы и на снижении урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому особенно важно проводить детоксикацию таких почв путем применения мелиорантов. Мелиорация позволяет уменьшить вредное воздействие меди, повышая плодородие почвы, а, следовательно, урожайность, возделываемых на ней культур. Однако, мелиорация - мероприятие, требующее существенных денежных вложений, которые должны окупаться за счет дополнительного дохода. Дополнительный доход формируется из прибавки урожая и на основе снижения затрат идущих на возделывание сельскохозяйственных культур. В таблице 8 приведен расчет экономической эффективности применения различных мелиорантов. Для этого использовались следующие показатели:
коэффициент экономической эффективности;
срок окупаемости.
Исходные данные для расчета этих показателей были взяты на основе результатов проведенных опытов, сложившихся рыночных отношений, разработанных нормативных коэффициентов.
Прямые производственные издержки, связанные с внесением мелиорантов рассчитаны на основе технологических карт, которые представлены в приложении 12. Для более полного представления структуры затрат, связанных с капитальными вложениями в приложении 11 приведены основные статьи затрат: стоимость мелиорантов, оплата труда с начислениями, ГСМ и прочие. Из данного приложения видно, что значительная часть капитальных вложений идет на приобретение ГСМ. Дополнительный урожай, полученный вследствие мелиорации, обуславливает дополнительные денежные затраты, связанные с уборкой и доработкой прибавки урожая.
