В статье изложены результаты исследований по оценке влияния различных систем удобрения овощных севооборотов и технологий орошения овощных культур на экологию почвы и продукции в орошаемом овощеводстве юго-востока Казахстана. Установлены оптимальные системы удобрения овощных севооборотов, содержания микроэлементов в почве и уровень накопление нитратов, пути снижение водных расходов и уровень засоренности опытных участков.
Введение
Картофелеводство и овощеводство – важные отрасли сельского хозяйства, призванные круглогодично обеспечить население и перерабатывающую промышленность республики полноценными, сбалансированными продуктами питания и высококачественным сырьем.
Согласно нормативным данным Казахской академии питания, в год на 1 жителя республики должно приходиться 120 кг овощей, 100 кг картофеля и 26 кг бахчи. Фактически производимые объемы превыщают внутренную потребность. Так, по статданным 2013 года, по республике площади картофеля составили 184,8 тыс.га (валовой сбор - 3,344 млн.т), овощных культур - 133,1 тыс.га (3,241 млн.т), бахчевых культур - 82,3 тыс.га (1,248 млн.т). Однако, отмечается недостаток овощей в межсезонье, их ассортимент скуден, цены на многие виды продукции сильно колеблются, часто высокие. Средние урожаи культур невысокие: картофеля - 18 т/га, овощей - 24 т/га, бахчи - 15 т/га. Биохимические и экологические показатели продукции требуют улучшения.
Среди факторов, лимитирующих продуктивность картофеля и овощебахчевых культур, ухудшающих экологическую ситуацию при производстве продукции, особое место занимают деградация почвенного плодородия вследствие истощенности запасов питательных веществ и эрозионных процессов, ограниченность водных ресурсов, несоблюдение технологий применения удобрений и пестицидов [1, 2].
На юго-востоке Казахстана почвы подвержены сильной деградации, ощущается острый недостаток поливной воды при одновременном развитии эрозионных процессов. Наряду с проблемами сохранения плодородия орошаемых земель, повышения урожайности и качества овощей, остро стоят проблемы загрязнения почвы и продукции токсиостатками [3, 4, 5].
Вышеизложенное определяет актуальность исследований по разработке научно- обоснованных технологий удобрения и орошения овощных культур, способствующих повышению их продуктивности и сохранению плодородия почвы, снижению экологической нагрузки на окружающую среду.
Материалы и методы исследований
Исследования проведены на опытном стационаре КазНИИКО, который расположен в предгорной зоне юго-востока Казахстана.
Климат региона резкоконтинентальный. Теплый период - 240-275 дней. Сумма активных температур - 3100-34000С. Гидротермический коэффициент - 0,7-1,0. Годовое количество осадков - 350-600 мм.
Почва - темно-каштановая, среднесуглинистая, гумус - 3%, общий азот - 0,18- 0,20%, валовой фосфор - 0,19-0,20%, валовой калий - 2,4-2,7%, подвижный фосфор - 33-35 мг/кг, обменный калий - 340-360 мг/кг, рН 7,3-7,4, объемная масса - 1,1-1,2 г/см3.
В исследованиях использованы общепринятые классические методы: Агрохимические методы исследования почв (1975); Юдин Ф.А. Методика агрохимических исследований (1980); Доспехов Б.И. Методика полевого опыта (1985); Методика опытного дела в овощеводстве и бахчеводстве (В.Ф.Белика, 1992); Методические указания по определению нитратов в продукции (1986). Агротехника овощных культур в опытах общепринятая для региона, осуществлена в соответствии с рекомендациями КазНИИКО (2012).
Результаты исследований и их обсуждение
Установлено, что темно-каштановые почвы предгорной зоны юго-востока Казахстана за длительный период использования в орошаемом овощеводстве претерпели существенные изменения. Параметры почвенного плодородия в значительной степени определяются видами овощных севооборотов и системами их удобрения.
В 8-польном овоще-травяном севообороте содержание гумуса на контроле составило 2,07% при исходном уровне 3,0%, т.е. снизилось на 0,93% или на 31%. При применении минеральных удобрений убывание гумуса происходило менее интенсивно - 2,22-2,38%. Тем не менее, содержание гумуса снизилось на 21-26%. На удобренных вариантах гумуса больше по сравнению с контролем на 7,25-14,98%, повысилось содержание Р2О5 до 170-258 мг/кг, К2О - до 355-430 мг/кг. Содержание углерода на контроле - 3,19-7,71%, на удобренных вариантах - 0,86-3,57%. Отмечено выщелачивание почвы: величина рН повысилась до 8,24-8,34.
В 4-польном интенсивном овощном севообороте на естественном фоне содержание гумуса на контроле (1,50%) и на варианте с одинарной нормой NPK- удобрений (1,51%) снизилось в 2 раза, а на варианте с двойными (2,04%) и тройными (2,09%) нормами - на 30-32%. Содержание легкогидролизуемого азота колебалось в пределах 36,4-42,0 мг/кг почвы. Содержание подвижного фосфора было очень высоким и составило 68-122 мг/кг почвы. Обменного калия содержалось от 255-280 до 315 мг/кг, что соответствует градациям низкой и средней обеспеченности. Содержание углерода увеличилось с верхних слоев к нижним горизонтам. Реакция почвенной среды изменилась с нейтральной и близкой к нейтральной (рН 7,2-7,3) до щелочной (рН 8,01- 8,21), что является отрицательным фактом.
На органическом фоне параметры почвенного плодородия были более высокими по сравнению с естественным фоном. Содержание гумуса на органическом контроле составило 2,09%. На удобренных вариантах этого же фона гумуса было на более высоком уровне - 2,21-2,32%. В то же время эти показатели ниже исходных (3,0-3,03%). Обеспеченность почвы легкоусвояемыми питательными веществами существенно различалась по нормам внесения удобрений. Так, на контроле органического фона было 39,2 мг легкогидролизумого азота, 69 мг подвижного фосфора и 26 мг обменного калия на 1 кг почвы. Внесение под культуры севооборота минеральных удобрений в разных нормах повысило содержание азота до 42,0-47,6 мг/кг, фосфора - до 78-175 мг/кг, калия - до 280-375 мг/кг. Следует отметить положительную роль органических удобрений в повышении уровня питательных веществ в почве. С 60 т/га навоза (за ротацию севооборота), в почву поступает 300 кг азота, 150 фосфора и 360 кг калия, различные микроэлементы. Навоз является полезным источником для почвенных микроорганизмов. Все это оказывает благоприятное влияние на плодородие почвы.
Существенные различия по уровню содержания гумуса и степени обеспеченности почвы элементами питания объясняются системами удобрения 4- польного интенсивного овощного севооборота в течение ряда ротаций (с 1991 г.), а также пестротой плодородия почвы опытного стационара.
Параметры почвенного плодородия в 3-польном короткоротационном зерно- овощном севообороте были сравнительно высокими. Содержание гумуса на контроле равнялось 2,07%, на вариантах с органо-минеральными удобрениями - 2,30-2,79%. Отмечено значительное повышение подвижных форм питательных веществ. На удобренных вариантах опыта азота содержалось 30,8-37,8 мг/кг (контроль - 29,4 мг/кг), калия - 380-540 мг/кг (контроль - 305 мг/кг). Заметные различия по уровню гумуса и обеспеченности элементами питания за относительно короткий период исследований (2012-2014 гг.) связано с исходным уровнем плодородия почвы.
Таким образом, содержание гумуса в темно-каштановых почвах юго-востока Казахстана, интенсивно используемых в овощеводстве длительное время (около 60 лет), снизилось в среднем на одну треть, что является весьма тревожным фактом.
Микроэлементы питания играют весьма важную роль в жизнедеятельности растений. В то же время многие из них являются токсичными тяжелыми металлами. Учитывая это, мы уделили особое внимание на двойной аспект микроэлементов - как источник питания для растений и загрязнения окружающей среды.
Исследования показали, что почвы разных овощных севооборотов имеют различные уровни обеспеченности по подвижным формам микроэлементов (мг/кг):
цинк (Zn) - от 0,25-0,40 до 0,75-1,25; медь (Cu) - 0,85-1,55; свинец (Pb) - от 1,25-3,50 до 5,60-8,30; кадмий (Cd) - 0,25-0,75; никель (Ni) - 1,45-2,85; марганец (Mn) - 62,0-90,95; железо (Fe) - 5,0-6,95. Разница между вариантами опытов с удобрениями и опытными участками достигают от 2 до 5 раз. По валовым формам микроэлементов различия менее выражены (мг/кг): Zn-70,2-73,2; Cu-27,8-35,8; Pb-28,8-30,6; Cd-2,2-3,2; Ni-34,0- 44,6; Mn-639,6-701,4; Fe-27896-35260.
Как отмечено, ряд микроэлементов относится к тяжелым металлам. Так, свинец (Pb) и кадьмий (Cd) являются токсичными элементами и высокое их содержание в почве вредны и нежелательны. На уровень тяжелых металлов в почве влияют удобрения. В этой связи, при установлении норм удобрений необходимо учесть вопросы экологии.
Тяжелые металлы - опасные токсичные вещества. Они характеризуются по таким критериям, как токсичность, плотность, атомная масса, биохимические и геохимические циклы, распространенность в природе. Известно более 40 элементов с атомной массой выше 50 а.е, относящиеся тяжелым металлам. Именно эти элементы обладают большой токсичностью для живых организмов при малой кумуляции (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Pb, U, Cd и др.). Несмотря на токсичность, многие тяжелые металлы (кроме Cd, Hg, Pb, V), являются микроэлементами питания.
По классификации H.Реймерса, тяжелыми металлами являются элементы с плотностью больше 8 г/см3. К таким относятся: Pb, Zn, Bi, Sn, Cd, Cu, Ni, Co, Sb.
Европейская Экономическая Комиссия Организации Объединенных Наций (ООН) считает, что к тяжелым металлам относятся цинк, мышьяк, селень и сурьма.
По результатам исследований, минеральные удобрения несколько увеличивали содержание микроэлементов в почве. При этом, по отдельным микроэлементам (тяжелым металлам) наблюдается повышенное их содержание, близкое к допустимым нормам. Необходимо обратить особое внимание высокому уровню в почве кадьмия и свинца. Так, валовое содержание свинца (Pb) в почве составило 28,8-30,6 мг/кг при ПДК 30 мг/кг, т.е. на пределе допустимых норм, что настораживает. Более тревожно состояние почвы по кадьмию (Cd). Содержание валовой формы Cd в почве доходило до 2,4-2,8 мг/кг при ОДК 2,0 мг/кг, т.е. идет превышение допустимых норм (таблица 1 ).
Таблица 1 - Влияние удобрений на концентрацию тяжелых металлов в почве (мг/кг)
В целом, содержание тяжелых металлов в темно-каштановой почве юго-востока Казахстана на допустимом уровне. Однако это не должно успокаивать ученых и производственников, так как в почве накоплено достаточно большое количество тяжелых металлов, уровень которых все время возрастает, что, в конечном итоге, приведет к загрязнению почвы и продукции токсиостатками (тяжелыми металлами).
Одной из серьёзных экологических проблем, остро стоящих в последние десятилетия, является загрязнение растениеводческой продукции нитратами. Особое беспокойство у населения вызывает содержание нитратов в картофеле, овощах и бахчи, на долю которых приходится до 70% суточной нормы (3,6 мг NО3 на 1 кг массы тела) этих веществ. Длительное употребление овощной продукции с высоким уровнем нитратов может привести к острому отравлению человеческого организма.
В основе токсического действия нитратов лежит состояние гипоксии тканей, развившейся как в результате метгемоглобинемии и нарушений транспортной функции крови, так и угнетения активности некоторых ферментных систем, участвующих в процессах тканевого дыхания. Большое внимание нитратам и нитритам уделяется ещё и потому, что они превращаются в организме в нитрозосоединения, многие из которых канцерогенны.
Учитывая важность «нитратной» проблемы, мы изучали влияние разных систем удобрений овощных севооборотов на накопление свободных нитратов в овощной продукции, так как среди множества факторов наибольшее влияние на нитратонакопление оказывают именно условия минерального (азотного) питания.
В 8-польном севообороте применение удобрений в опытах с капустой привело к повышению уровню нитратов в продукции. На контроле в кочанах содержалось 140 мг/кг нитратов, на варианте с N60P30K30 - 152 мг/кг, N120P60K60 - 265 мг/кг, N180P90K90 - 394 мг/кг при предельно-допустимой концентрации (ПДК) 500 мг на 1 кг сырой массы. По культуре огурца наблюдалось некоторое повышение уровня нитратов в зеленцах - 36-44 мг/кг при ПДК 150 мг/кг. Нитратонакопление томата было умеренным, в плодах содержалось 39-53 мг/кг NO3, что ниже допустимых норм в 2,8-4,5 раза. В опытах со свеклой под влиянием удобрений по сравнению с контролем (267 мг/кг) содержание нитратов в корнеплодах возросло на 31,5-179,0%, но не превышало ПДК (1400 мг/кг).
В 4-польном севообороте в опытах с капустой отмечено резкое увеличение уровня нитратов в кочанах при высоких нормах удобрений - 375-379 мг/кг. В плодах огурца и томата содержание нитратов было в несколько раз ниже норм (ПДК для огурца и томата - 150 мг/кг). Удобрения повышали содержание нитратов в урожае моркови на 30,1-119,4% и 15,4-137,6%, но оно было ниже ПДК (400 мг/кг).
В 3-польном севообороте минеральные удобрения на фоне органических удобрений (навоз, солома) усилили процесс аккумуляции нитратов в продукции. В опытах с картофелем от удобрений уровень нитратов возрос почти в 2-3 раза (130-225 мг/кг), но не превышал допустимые нормы (ПДК - 250 мг/кг). В опытах с луком наблюдалась тенденция постепенного повышения уровня нитратов при увеличении норм вносимых удобрений. В луковицах, убраннных на контроле содержалось 36 мг/кг нитратов, а в урожае удобренных вариантов - 41-58 мг/кг при ПДК 80 мг/кг. В опытах со свеклой содержание нитратов в корнеплодах повысилось с 220 мг/кг (контроль) до 230-409 мг/кг при ПДК 1400 мг/кг.
Следует отметить, что несмотря на допустимые уровни нитратов в продукции, сам факт повышенного их накопления в урожае картофеле и овощных культур должен настораживать. Потому что при потреблении такой продукции длительно и в большом количестве возможно отравление организма. Поэтому здесь речь может идти об условной экологической безвредности, а не о экологической чистоте овощной продукции.
Для устойчиво рентабельного ведения орошаемого овощеводства необходимо решить такие значимые агроэкологические проблемы, как ограниченность водных ресурсов и ирригационная эрозия. И здесь выход видится в применении водосберегающих технологий. В этом плане КазНИИКО проводятся исследования по адаптации и оценке эффективности прогрессивных водосберегающих технологий (таблица 2).
Таблица 2 - Влияние технологий орошения на расходы поливной воды (2012-2014 гг)*
По данным исследований, капельное орошение обеспечило экономию воды в объеме (%): капуста - 32,69; огурец - 35,32; томат - 37,80; свеклы - 37,55; морковь - 34,54; лук - 31,72 (таблица 2). Следует отметить, что здесь не учтены потери воды от фильтрации и испарения при ее течении от головного водозабора до полей (около 25- 30%), что имеет место при подаче большого объема воды для бороздкового полива. При капельном орошении эти потери минимальны (до 5%), так как для полива растений требуется небольшой объем воды, который поступает с бассейнов.
Важное значение в овощеводстве имеет фитосанитарное состояние посевов овощных культур, в частности - засоренность полей. Многие виды овощных культур являются мелкосемянными, медленно растут и развиваются в начале вегетации. За это время сорняки усиленно развиваются, составляя мощную конкуренцию культурным растениям. Сорняки затеняют овощные растения, интенсивно поглощают из почвы питательные вещества и влагу, снижая тем самым отдачу от удобрений и поливной воды.
Фитосанитарный мониторинг показал, что засоренность опытных участков значительно меньше по сравнению с бороздковым поливом. Снижение количества сорняков составило (%): капуста - 48,00; томат - 52,46; огурец - 43,33; свекла - 51,95; морковь - 48,14: лук - 51,02 (таблица 3).
Таблица 3 - Влияние технологий орошения на засоренность овощных посевов (2012-2014 гг)
Это имеет очень важное агроэкономическое и экологическое значение, так как позволяет снижать нормы расхода гербицидов на химическую прополку, затраты труда на ручную прополку, более полно использовать вносимые удобрения и поливную воду. В результате овощным растениям обеспечиваются более лучшие фитосанитарные, водно-световые и питательные условия для формирования высокого урожая овощей.
Выводы
Параметры почвенного плодородия в значительной степени определяются видами овощных севооборотов и системами их удобрения. На органическом фоне параметры почвенного плодородия были более высокими по сравнению с естественным фоном.
Почвы разных овощных севооборотов имеют различные уровни обеспеченности по подвижным формам микроэлементов. Разница между вариантами опытов с удобрениями и опытными участками достигают от 2 до 5 раз. Минеральные удобрения несколько увеличивали содержание микроэлементов в почве.
Капельное орошение обеспечило экономию воды от 31,7 до 37,5% по сравнению с бороздковым поливом. При капельном орошении засоренность опытных участков значительно меньше по сравнению с бороздковым поливом.
Литература
- Сапаров А.С., Козыбаева Ф.Е. Почвенный покров Казахстана, его экология и приоритетные направления почвенных исследований// Рациональное использование почвенных ресурсов и их экология: матер. междунар. научно-практ. конфер. - Алматы, 2012. - С. 247-253.
- Иорганский А.И., Турешев О.Т. Вопросы экологизации и биологизации орошаемого земледелия юго-востока Казахстана//Производство и применение минеральных удобрений в Казахстане. - Тараз, 2004. - С.52-62.
- Елешев Р.Е. Применение минеральных удобрений и охрана окружающей среды. - Алма-Ата, 1986. - 15 с.
- Юсупова Г.М. Пестициды и проблемы загрязнения природных сред при их применении // Достижения и проблемы защиты и карантина растений посвященной 50- летию образования Казахского НИИ защиты и карантина растений. - Алматы-Рахат, 2008. - С.205-208.
- Беляков М.А., Сирота С.М., Столбова Т.М. Влияние длительного систематического применения удобрений на изменение качества продукции, плодородия выщелоченного чернозема и содержание токсинов в почве//Современное состояние и перспективы развития овощеводства и картофелеводства. - Барнаул, 2007. - С.314-325.