Russian Federation
employee
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.35 Растениеводство
The purpose of the research is increasing the yield of spring rape in the Tatarstan pre-Kama zone. Soil pollution affects food safety both by reducing plant performance and yield class. Oil and petrochemicals are common con-tamination sources of environment. The work is devoted to the assessment of the impact of oil pollution of the soil on the yield of spring rapeseed. The study was conducted on the experimental field of the Department of «Agro-chemistry and Soil Science» of the Kazan State Agrarian University, located in the pre-Kama zone of Tatarstan. The experimental site is presented by gray forest medium loamy soil, which is the predominant difference for this zone. The area unpolluted soil was characterized by a low content of humus and a weak acidic medium, high con-centration of phosphorus and potassium active forms. The soil was purposely contaminated with commercial crude oil by spreading over the surface at the rate of 10, 20 and 40 l/m2. These levels of soil pollution, as shown by previ-ous studies, were estimated, respectively, as low, medium and high. A close positive correlation was established between the yield of spring rapeseed and the limitation of soil contamination (R2=0.763÷0.940). Mechanical soil treatment, liming, application of mineral fertilizers and Baikal EM-1 biologics was tested for recultivation. The yield of oilseeds of spring rapeseed was closely correlated with the level of single contamination of gray forest soil with commercial crude oil for at least 15 years. Obtaining the maximum yield of spring rapeseed on oil-polluted gray forest soil was provided by comprehensive application of soil loosening, liming and application of full mineral ferti-lizer.
soil, pollution, rape, reclamation, yield.
Почвенный покров – основное средство производства в сельском хозяйстве и одновременно важнейший незаменимый компонент окружающей среды, обладающий уникальными экологическими функциями, которые обеспечивают устойчивое и стабильное функционирование всей биосферы [14].
Загрязнение почвы представляет серьезную угрозу нормальному функционированию почвенного покрова и обеспечению продовольственной безопасности [3].
Загрязнение почв влияет на продовольственную безопасность как за счет снижения продуктивности растений, так и за счет ухудшения качества урожая [5].
Нефть и нефтепродукты остаются весьма распространенными источниками загрязнения окружающей среды [10, 13, 18] несмотря на то, что в 2020 г. объем мирового потребления нефти и жидкого топлива снизилось, по сравнению с предыдущим годом, на 9 % [6].
Нефтяное загрязнение вызывает негативные изменения морфологических, физических, физико-химических и микробиологических свойств почв, оказывает непосредственное токсичное влияние на произрастающую растительность [9, 10, 13, 16, 17, 20] и приводит к заметному росту уровня заболеваемости населения [11].
В современных условиях наиболее безопасным, относительно дешевым и достаточно эффективным следует считать агроэкологические приемы восстановления загрязненных почв, которые включают ряд агрохимических и агротехнических мероприятий [1, 2, 7-9, 12, 15, 19].
Цель исследований – повышение урожайности ярового рапса в предкамской зоне Республики Татарстан.
Задачи исследований – изучить влияние нефтяного загрязнения серой лесной почвы разных уровней и приемов рекультивации на урожайность ярового рапса.
Материалы и методы исследований. Исследования проводили на опытном поле кафедры «Агрохимия и почвоведение» ФГБОУ ВО «Казанский государственный аграрный университет», которое расположено в предкамской зоне Республики Татарстан.
Почва опытного участка – серая лесная среднесуглинистая, имеющая слабокислую реакцию среды (рНсол.=5,4).
Исходная незагрязненная почва характеризовалась низким содержанием гумуса (2,9 %) и повышенным содержанием подвижных форм фосфора (123 мг/кг) и калия (126 мг/кг).
Почву искусственно загрязнили товарной нефтью, добытой и подготовленной на НГДУ «Джалильнефть» ОАО «Татнефть», из расчета 10, 20 и 40 л/м2.
Почва была равномерно загрязнена товарной нефтью заливкой микроделянок с поверхности. Микроделянки представляют собой бездонные дощатые ящики, углубленные в почву на глубину 30 см. Площадь микроделянок
Предыдущие исследования сотрудников кафедры «Агрохимия и почвоведение» Казанского ГАУ [2] показали, что указанные дозы нефти примерно соответствуют слабому, среднему и сильному уровню загрязнения.
Преднамеренное загрязнение почвы товарной нефтью было проведено в мае 2004 года. Действие нефтяного загрязнения на продуктивность культур изучали в севообороте: яровая пшеница – ячмень – яровой рапс – просо.
С указанного времени прошли три ротации севооборота: в 2005-2008 гг. – первая,
в 2009-2012 гг. – вторая и в 2013-2016 гг. – третья, с 2017 года идет четвертая ротация севооборота.
Объект исследований – яровой рапс, который возделывался в 2007, 2011, 2015 и 2019 гг.
В 2019 году, то есть через 15 лет после однократного загрязнения, посев ярового рапса провели
13 мая, с заделкой семян на глубину 2 см.
Перед посевом семена были обработаны протравителем Витарос из расчета 2,5 л/т. Норма высева ярового рапса (сорт Юмарт) составила 3 млн шт. всхожих семян на гектар или 14,8 кг/га с учетом массы 1000 семян (4,45 г) и лабораторной всхожести (90%).
Вегетационный период в 2019 году характеризовался превышением среднемноголетних значений температуры в мае и июне.
В дальнейшем среднемесячная температура воздуха была ниже климатической нормы, атмосферные осадки превышали её в 1,28 (июль) и 1,52 (август) раза.
Особенно много атмосферных осадков выпало в первой декаде августа (131% по отношению к норме).
Агрохимические анализы почв выполнены на кафедре «Агрохимия и почвоведение» Казанского ГАУ и в ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Республике Татарстан (Татарстан)» общепринятыми методами: гумус по ГОСТ 26213-91 «Почвы. Методы определения органического вещества», обменная кислотность по ГОСТ 26484-85 «Почвы. Метод определения обменной кислотности», подвижные формы фосфора и калия по ГОСТ 26207-91 «Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО». Статистическая обработка результатов экспериментальных данных проведена методом дисперсионного анализа [4] с использованием программ для Microsoft Excel 97. Корреляционно-регрессионный анализ выполнен с помощью программы Statistica 5.5А.
Результаты исследований. Зависимость урожайности маслосемян ярового рапса от давности нефтяного загрязнения серой лесной почвы при различных уровнях исходного однократного загрязнения показана на рисунке 1.
Наблюдалась тесная положительная корреляционная связь урожайности маслосемян ярового рапса с загрязнением почвы нефтью независимо от уровня старого нефтяного загрязнения серой лесной почвы.
Коэффициенты детерминации (R2) в зависимости от доз нефти, колебались в пределах от 0,763 до 0,940. Наибольшая теснота связи была обнаружена на сильно загрязненной почве
(40 л/м2).
Линии тренда четко показывали постепенное снижении фитотоксичности нефтезагрязненной серой лесной почвы по мере старения загрязнения при всех уровнях исходной дозы нефти. Особенно стабильное приближение урожайности к контрольному уровню за четыре ротации севооборота наблюдалось на сильнозагрязненной почве (40 л/м2): если в первой ротации урожайность маслосемян приблизилась к нулю, то в последующих ротациях она составила соответственно 25, 41 и 47% от контрольного уровня.
Представленные данные свидетельствуют и о наличии тесной отрицательной корреляционной связи урожайности ярового рапса с уровнем однократного нефтяного загрязнения. Так, в первой ротации севооборота (давность загрязнения 3 года), если урожайность рапса на слабозагрязненной почве (10 л/м2) составила 32% от контрольного уровня, то на средне- и сильнозагрязненных почвах – соответственно, 22 и 2%.
Аналогичная, но ещё более заметная, ответная реакция растений ярового рапса на уровни нефтяного загрязнения наблюдалась на два последующих уровня загрязнения (20 и 40 л/м2). Таким образом, урожайность ярового рапса одновременно обуславливалась как исходным загрязнением, так и старым нефтяным загрязнением серой лесной почвы.
На рисунке 2 показана зависимость урожайности ярового рапса 2019 г. от уровня нефтяного загрязнения серой лесной почвы, преднамеренно загрязненной в 2004 г.
На диаграммах наглядно показано наличие тесной отрицательной корреляции между дозами нефти и урожайностью маслосемян (R2=0,987) и соломы (R2=0,954) ярового рапса даже по истечении 15 лет с момента загрязнения.
Рис. 1. Зависимость урожайности маслосемян ярового рапса
от давности нефтяного загрязнения при различных уровнях исходного загрязнения
Рис. 2. Корреляционная связь урожайности ярового рапса (2019 г.)
и уровня нефтяного загрязнения серой лесной почвы
Результаты испытания эффективности агроэкологических приемов рекультивации нефтезагрязненной серой лесной почвы в условиях стационарного полевого опыта по материалам учета урожайности маслосемен ярового рапса приведены в таблицах 1 и 2.
В первой ротации севооборота (давность загрязнения 3 года) от нефтяного загрязнения урожайность маслосемян снизилась по сравнению с контролем в 4,5 раза. Повышение урожайности маслосемян рапса от известкования нефтезагрязненной почвы оказалось статистически не существенным. Прибавка урожая от внесения полного минерального удобрения составила 33 г/м2, что в 2,86 раза меньше прибавки от рыхления почвы. Минимальная статистически доказуемая прибавка урожая маслосемян ярового рапса (19 г/м2) была получена от инокуляции почвы биопрепаратом Байкал ЭМ-1.
Таблица 1
Влияние приемов рекультивации нефтезагрязненной серой лесной почвы на урожайность
маслосемян ярового рапса в зависимости от временного фактора (ротаций севооборота)
|
Варианты опыта |
1 ротация (2007 г.) |
2 ротация (2011 г.) |
3 ротация (2015 г.) |
4 ротация (2019 г.) |
|
1. Незагрязненная почва (контроль) |
153* 100 |
164 100 |
137 100 |
126 100 |
|
2. Нефтезагрязненная почва (НЗП) |
34 22 |
79 48 |
95 69 |
84 67 |
|
3. НЗП + рыхление |
92 60 |
88 54 |
100 73 |
99 79 |
|
4. НЗП + известкование + рыхление |
96 63 |
95 58 |
103 75 |
103 82 |
|
5. НЗП + известкование + рыхление + NРК |
129 84 |
167 102 |
186 136 |
179 142 |
|
6. НЗП + известкование + рыхление + инокуляция |
115 75 |
123 75 |
134 98 |
117 93 |
|
НСР05 (г/м2) |
10 |
11 |
13 |
12 |
Примечание: * – в числителе урожайность маслосемян ярового рапса в г/м2; в знаменателе – в процентах
к уровню контроля.
Во второй ротации севооборота урожайность маслосемян на нерекультивируемой загрязненной почве составила, по отношению к контролю, 48%, что более чем в два раза выше показателя в первой ротации севооборота (22%). Прибавка урожая от рыхления нефтезагрязненной почвы оказалась меньше наименьшей существенной разницы. Лишь сочетание рыхления с известкованием обеспечило получение достоверной прибавки урожая. В то же время, селективная прибавка урожая только от известкования была несущественной. Максимальная прибавка урожая (72 г/м2) была получена от внесения полного минерального удобрения. Прибавка урожая маслосемян рапса
от инокуляции биопрепаратом Байкал ЭМ-1 составила 28 г/м2, что в 2,57 раза меньше прибавки от полного минерального удобрения.
В третьей ротации севооборота рыхление нефтезагрязненной почвы, как селективное, так и в сочетании с известкованием, не дало статистически достоверной прибавки урожая маслосемян. Как и в предыдущей ротации севооборота, максимальная прибавка урожая маслосемян (83 г/м2) была получена от внесения минеральных удобрений. Использование на фоне рыхления и известкования биопрепарата Байкал ЭМ-1 обеспечило получение 31 г/м2 прибавки урожая маслосемян, что в 2,68 раза меньше прибавки от внесения полного минерального удобрения.
В четвертой ротации севооборота прибавка урожая маслосемян рапса от рыхления почвы вновь стала статистически значимой, однако прибавка урожая от известкования оказалась меньше наименьшей существенной разности. Наибольшая прибавка урожая (76 г/м2), как и в предыдущих двух ротациях севооборота, была получена от внесения полного минерального удобрения. Прибавка урожая маслосемян от инокуляции нефтезагрязненной почвы биопрепаратом Байкал ЭМ-1 составила 14 г/м2, что в 5,43 раза меньше прибавки, полученной от внесения минеральных удобрений.
Испытанные приемы рекультивации нефтезагрязненной серой лесной почвы примерно одинаково действовали как на урожайность маслосемян, так и на урожайность соломы ярового рапса. Урожайность соломы ярового рапса по вариантам опыта, приведенная в таблице 2, свидетельствует об этом.
Таблица 2
Влияние приемов рекультивации нефтезагрязненной серой лесной почвы на урожайность
соломы ярового рапса в зависимости от временного фактора (ротаций севооборота)
|
Варианты опыта |
1 ротация (2007 г.) |
2 ротация (2011 г.) |
3 ротация (2015 г.) |
4 ротация (2019 г.) |
|
1. Незагрязненная почва (контроль) |
188* 100 |
207 100 |
191 100 |
297 100 |
|
2. Нефтезагрязненная почва (НЗП) |
62 33 |
147 71 |
142 74 |
244 82 |
|
3. НЗП + рыхление |
117 62 |
156 75 |
153 80 |
252 85 |
|
4. НЗП + известкование + рыхление |
121 64 |
156 75 |
156 82 |
252 85 |
|
5. НЗП + известкование + рыхление + NРК |
164 87 |
225 109 |
275 144 |
437 147 |
|
6. НЗП + известкование + рыхление + инокуляция |
138 73 |
182 88 |
195 102 |
294 99 |
|
НСР05 (г/м2) |
11 |
13 |
16 |
20 |
Примечание: * – в числителе урожайность маслосемян ярового рапса в г/м2; в знаменателе – в процентах
к уровню контроля.
В первой ротации севооборота наиболее действенным приемом рекультивации проявилось рыхление почвы, в последующих ротациях наибольшие прибавки соломы были получены от внесения полного минерального удобрения. Известкование, проведенное на фоне рыхления, в течение всего периода наблюдения статистически достоверной прибавки урожая соломы не дало. Сопоставление прибавок урожая соломы ярового рапса от минеральных удобрений и биопрепарата показывает, что прибавки от минеральных удобрений в 2,5-4,4 раза превышали таковые от биопрепарата Байкал ЭМ-1, причем по мере роста давности загрязнения данное различие усилилось.
Заключение. Однократное загрязнение серой лесной почвы нефтью из расчета 10, 20
и 40 л/м2 приводило к снижению урожая маслосемян и соломы ярового рапса в течение всех 15 лет наблюдения. Установлена тесная положительная корреляционная связь урожайности ярового рапса и давности загрязнения нефтью серой лесной почвы. Коэффициенты детерминации (R2) в зависимости от доз нефти колебались в пределах от 0,763 до 0,940. Значимость отдельных приемов рекультивации нефтезагрязненной почвы менялась во времени: если в первой ротации (давность загрязнения 3 года) наиболее действенным приемом рекультивации было рыхление, то в дальнейшем главным фактором повышения урожайности ярового рапса стало внесение полного минерального удобрения. Известкование, проведенное на фоне рыхления, в течение всего периода наблюдения статистически достоверной прибавки урожая ярового рапса не дало. Прибавки урожая от минеральных удобрений в 2,5-4,4 раза превышали таковые от биопрепарата Байкал ЭМ-1, причем по мере роста давности загрязнения данное различие усилилось
1. Gabbasova, I. M., Abdrakhmanov, R. F., Khabirov, I. K., & Khaziev, F. Kh. (1997). Izmenenie svoistv pochv i sostava gruntovih vod pri zagriaznenii neftiiu i neftepromislovimi stochnimi vodami v Bashkirii [Changes in soil properties and ground water composition during oil pollution and oil-field effluent in Bashkiria]. Pochvovedenie - Edaphology, 11, 1362-1372 [in Russian].
2. Gilyazov, M. Yu., & Gaisin I. A. (2003). Agroekologicheskaia harakteristika i priemi rekulitivacii nefte-zagriaznennih chernozemov Respubliki Tatarstan [Agroecological characteristics and methods of recultivation of oil-contaminated chernozems of the Republic of Tatarstan]. Kazan: Fen [in Russian].
3. Dobrovol'skii, G. V., Chernov, I. Yu., Bobrov, A. A., Dobrovolskaya, T. G., Lysak, L. V., Onipchenko, V. G., Gongalsky, K. B., Zaitsev, A. S., Terekhova, V. A., Sokolova, T. A., Terekhin, V. G., Shamrikova, E. V. , & Chernova, O. V. (2011). Rol pochvi v formirovanii i sohranenii biologicheskogo raznoobraziia [The Role of soil formation and conservation of biological diversity]. Moscow: Association of scientific publications KMK [in Russian].
4. Dospekhov, B. A. (1985). Metodika opitnogo dela [Experimental case methodology]. Moscow: Agropromizdat [in Russian].
5. Zagriaznenie pochv: avtori doklada biut trevogu [Soil pollution: the authors of the report sound the alarm]. www.fao.org. Retrieved from http://www.fao.org/news/story/ru/item/1127228/icode/ [in Russian].
6. Istoricheskoe obrushenie nefti v 2020 godu, opaseniia po povodu 2021 goda [Historical collapse of oil in 2020, concerns about 2021]. www.finam.ru. Retrieved from https://www.finam.ru/analysis/newsitem/istoricheskoe-obrushenie-nefti-v-2020-godu-opaseniya-po-povodu-2021-goda-20201229-174947/ [in Russian].
7. Kudeyarov S. I., Tatosyan M. L., & Aznauryan D. K. (2007). Izmenenie fermentativnoi aktivnosti chernozema obiknovennogo pri zagriaznenii neftiiu i nefteproduktami v modelinih eksperimentah [Changes in the enzymatic activity of ordinary chernozem under oil and petroleum products contamination in model experiments]. Dokladi Rossiiskoi Akademii seliskokhoziaistvennikh nauk -Reports of the Russian Agricultural Academy, 5, 32-34 [in Rus-sian].
8. Kulikova, I. Yu., & Dzerzhinskaya, I. S. (2008). Sovremennie tekhnologii ochistki pochvennih territorii i vodnih akvatorii ot neftianogo zagriazneniia [Modern area and water remediation technologies from oil contamination]. Zashchita okruzhaiushchei sredi v neftegazovom komplekse - Environmental protection in oil and gas complex, 25, 72-75 [in Russian].
9. Lednev, A. V. (2018). Izmenenie svoistv pochv evropeiskoi chasti Nechernozemnoi zoni RF pod deistviem produktov neftedobichi i priemi ih remediacii [Changes in the properties of soils in the European part of the non-Chernozem zone of the Russian Federation under the influence of oil production and the methods for their remedi-ation]. Izhevsk: Cifra [in Russian].
10. Oborin, A. A., Khmurchik, V. T., Ilarionov, S. A., & Markarova, M. Yu. (2008). Neftezagriaznennie biocenozi [Oil contaminated biocenoses]. Perm: PSU Publishing House [in Russian].
11. Petrov, I. V. (2017). Onkologicheskaia zabolevaemost v neftedobivaiushchih raionah Respubliki Tatarstan: mnogoletnii epidemiologicheskii analiz [Cancer cases in oil producing areas of the Republic of Tatarstan: long-term epidemiological analysis]. Vestnik Sovremennoi Klinicheskoi Mediciny - The Bulletin of Contemporary Clini-cal Medicine, 10, 5, 40-46 [in Russian].
12. Stankevich, D. S. (2002). Ispolizovanie uglevodorodokisliaiushchei bakterii Pseudomonas dlia bioremidiacii neftezagriaznennih pochv [The use of the Pseudomonas hydrocarbon-oxidizing bacterium for biological remedia-tion of oil-contaminated soils]. Extended abstract of candidate’s thesis. Moscow [in Russian].
13. Stupin, D. Yu. (2009). Zagriaznenie pochv i noveishie tekhnologii ih vosstanovleniia [Soil pollution and the latest technologies of their restoration]. St. Petersburg: Publishing house «Lan'» [in Russian].
14. Khomyakov, D. M., & Gogmachadze G. D. (2020). Pochva v biosfere i v sovremennom rossijskom prave. Soobshchenie 3. «Pochva» i «plodorodie» v voprosah zemleustrojstva [Soil in the Biosphere and in modern Rus-sian law. Message 3. «Soil» and «Fertility» in land management issues]. AgroEkoInfo - AgroEcoInfo, 1. Agroecoin-fo.narod.ru. Retrieved from http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2020/1/st_108.pdf [in Russian].
15. Ezeji, U. E., Anyadoh, S. O., Ibekwe, V. I. (2007). Clean up of Crude Oil-Contaminated Soil. Terrestrial and Aquatic Environmental Toxicology, 1 (2), 54-59.
16. Golan, S., Faraj, T., & Rahamim, E. et al. (2016). The effect of petroleum hydrocarbons on seed germination, development and survival of wild and cultivated plants in extreme desert soil. International Journal of Agriculture and Environmental Research, 2, 6, 1743-1767.
17. Lim, M. W., Lau, E. V., & Poh, Ph. E. (2016). A comprehensive guide of remediation technologies for oil con-taminated soil - Present works and future directions. Mar. Pollut. Bull, 109 (1), 14-45.
18. Gilyazov, M., Osipova, R., Ravzutdinov, A., & Kuzhamberdieva, S. (2019). Yield and Chemical Composition of Spring Wheat Harvest on Oil-contaminated Grey Forest Soil. AgroSMART - Smart solutions for agriculture '19: International scientific and practical conference. KnE Life Sciences, 338-346. Knepublishing.com. Retrieved from https://knepublishing.com/index.php/KnE-Life/article/view/5620.
19. Nwankwegu, A. S., Anaukwu, C. G., Onwosi, C. O., Azi F., & Azumini, P. (2017). Use of rice husk as bulking agent in bioremediation of automobile gas oil impinged agricultural soil. Soil and Sediment Contamination, 26, 1, 96-114.
20. Saraeian, Z., Haghighi M., & Etemadi N. et al. (2018). Phytoremediation effect and growth responses of cyno-don spp. and agropy-rondesertorum in a petroleum-contaminated soil. SoilandSedimentContamination, 27, 5, 393-407.
