Агрохимия, 2020, № 4, стр. 76-84

ВВЕДЕНИЕ

Высокая техногенная нагрузка на агроэкосистемы вызывает различные нарушения почвенных процессов [1–3], что создает определенные трудности в оптимизации минерального питания растений. К числу наиболее опасных почвенных загрязнителей относится нефть и нефтепродукты [4, 5]. При таком загрязнении происходят существенные изменения в химическом составе, свойствах и структуре почвы [6], что отражается на продукционном процессе растений [7] и устойчивости экологически безопасного функционирования экосистем [8]. Выявлено, что под влиянием нефти ухудшается биологическая активность почвы, состояние и рост растений [9], повышаются энергозатраты в экосистемах на создание адаптированных и более устойчивых организмов к негативным воздействиям, затрудняется возможность сохранения биоразнообразия [10].

В последние годы помимо традиционных технологических приемов разрабатываются новые, менее затратные и достаточно эффективные подходы к восстановлению почвенно-экологических условий. Для ускорения окисления углеводородов используют активные, неадаптированные для зоны гипергенеза вещества в виде пероксидов металлов и пероксида водорода [11], эффективность последнего соединения возрастает при передаче электронов, когда реакции окисления осуществляются на основе ионов Fe²⁺ и Fe³⁺. В анаэробных условиях с дефицитом кислорода в качестве акцепторов электронов пытаются приспособить специфику действия Fe³⁺, сульфатов и диоксида углерода [12]. Несмотря на значительные успехи в приемах ремедиациии нефтезагрязненых территорий все же основное внимание уделяется более выгодным и доступным агрохимическим приемам, среди которых применение минеральных и органических удобрений. Особое место занимает использование потенциала генотипа растений [13, 14]. Их применение позволяет быстрее восстановить функции почв, особенно с нарушенными физико-химическими свойствами. Выявлено, что загрязнение серой лесной почвы нефтью с отношением С : N = 370 : 1 вызывало снижение урожайности зерновых культур в течение 3 лет [15]. Особенно сильное негативное воздействие на развитие растений оказывает нефть в первый год. Внесение макро- и микроудобрений позволяет существенно улучшить минеральное питание и тем самым активизировать продукционный процесс растений. Принятие научно обоснованных решений требует in situ дать интегральную оценку экологического состояния природных и агроэкосистем [16, 17]. В этой связи разработка мероприятий, направленных на ускорение процессов восстановления пищевого режима почв и увеличения продуктивности растений в условиях неблагоприятного антропогенного воздействия на агроценоз является актуальной задачей.

Цель работы – изучение возможности активизации биологических процессов ремедиации путем оптимизации азотного режима почвы, загрязненной нефтью, в результате внесения органических и минеральных удобрений под зерновые культуры.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение возможностей улучшения азотного фонда серой лесной почвы, загрязненной нефтью, проводили в течение 2009–2013 гг. В период исследования осуществляли чередование зерновых культур по следующей схеме: овес (сорт Ровесник), ячмень яровой (сорт Ача), пшеница (сорт Новосибирская 22), ячмень (сорт Ача) в микрополевых опытах, в четырехкратной повторности. Учетная площадь делянки 0.35 м². Вносили на каждую делянку в виде органических удобрений перегной, исходя из расчета 10 т/га и минеральные удобрения (NPK)60 в виде N_aa, P_cг и K_х. В качестве загрязняющего фона была внесена разовая доза нефти Верх-Таркского месторождения Западно-Сибирского региона в пахотный слой каждой делянки, исходя из расчета 2 т/га. Такая доза нефти принята на основе экспериментальных исследований. При более высокой дозе токсичность ее оказывается слишком высокой, и удобрения, особенно минеральные, могут оказаться бесполезными. В этом случае нужны другие методы рекультивации почв.

Нефть Верх-Тарского месторождения характеризуется высоким качеством сырья, с минимальным количеством примесей, малопарафинистая, малосернистая. Содержание азота равно, по нашим данным, 0.2%, содержание углерода – 74%.

Почва опытного участка – серая лесная среднесуглинистая, слабо обогащена гумусом, имела среднее содержание подвижного фосфора и низкое – обменного калия, рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 7.2. Почву каждой делянки опыта оборачивали полиэтиленовой пленкой на глубину пахотного слоя, не разделяя верхний горизонт от нижнего. Этот объем почвы перемешивали с нефтью и удобрениями и после этого высевали семена зерновых культур.

Почвенные образцы отбирали весной и осенью, растительные – при уборке урожая. Содержание гумуса в почве опрелеляли по методу Тюрина, общий азот – колориметрическим методом по Несслеру, легкогидролизуемый азот – в 0.5 н. и трудногидролизуемый – в 5 н. Н₂SO₄, негидролизуемый – по разности между валовым содержанием азота и трудногидролизуемым. Потенциальную нитрификационную способность загрязненной нефтью почвы определяли при ее компостировании в течение 1 мес. при комнатной температуре 23–24°С. Подвижный фосфор определяли по Чирикову, обменный калий – по Масловой, рН – потенциометрическим методом. В растениях также определяли азот после мокрого озоления по Кьельдалю, фосфор – колориметрическим методом на КФК-3, калий – методом атомно-адсорбционной спектрофотометрии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В многолетнем опыте с зерновыми культурами на загрязненной серой лесной почве выявлено, что содержание минеральных форм азота зависело от факторов природного и техногенного происхождения (табл. 1). В послеуборочный период меньше всего азота в аммонийной форме, содержание которого обычно снижается к уборке, содержалось в контрольном варианте в первый год исследования. Добавление минеральных удобрений в дозе N60P60K60 по-разному сказалось на содержании этой формы азота: наблюдали некоторое увеличение его содержания по сравнению с контролем, а также снижение и отсутствие заметного изменения в аккумуляции аммония. Внесение на этом фоне минеральных и органических удобрений приводило к разнообразным результатам: увеличению, снижению и отсутствию изменений в накоплении аммонийной формы азота. Небольшие отклонения в содержании аммония в почве связаны с обоснованными дозами органических и минеральньных удобрений, несмотря на экологически неблагоприятное воздействие токсиканта на микробоценоз почвы. Поэтому злаковые растения были способны практически полностью усвоить азот, находившийся в их распоряжении.

Обеспечение растений азотом зависит в первую очередь от образования минеральных его форм, по интенсивности и направленности формирования которых можно судить о токсичности нефти в автоморфных условиях среды (рис. 1). Оперативно получить информацию и оценить темпы образования нитратного азота в присутствии токсиканта можно путем компостирования почвы при оптимальном гидротермическом режиме. Исследования показали, что на фоне загрязнения почвы нефтью значительно меняется содержание нитратного азота в пахотном слое. Например, в верхнем гумусовом горизонте накопилось доступных соединений азота в контроле больше примерно в 10 раз, чем в исходном варианте. Загрязнение почвы нефтью существенно снизило содержание нитратного азота, даже несмотря на то что образцы отбирали в конце первого вегетационного периода, когда ингибирование процессов нитратонакопления в значительной мере было ослаблено. Внесение N60 в сочетании с фосфором и калием практически полностью компенсировало негативное действие нефти. Добавление органического удобрения заметно активизировало процессы нитрификации и даже произошел заметный прирост в содержании нитратного азота в загрязненной нефтью почве. Это сказалось не только на пищевом режиме серой лесной почвы, но и на продукционном процессе растений.

Рис. 1.

Влияние удобрений на содержание нитратного азота при компостировании загрязненной нефтью почвы: 1 – исходное, 2 – контроль, 3 – нефть (фон), 4 – фон + NPК, 5 – фон + NPК + ОУ*.

Загрязнение почвы нефтью и внесение удобрений отразилось на содержание форм азота в пахотном слое неодинаково (табл. 2). Нефть относительно исходной формы вызывала снижение содержания минерального и легкогидролизуемого азота, но повысило количество трудногидролизуемой и негидролизуемой форм. Несмотря на имеющиеся изменения в содержании подвижных форм азота содержание валового азота осталось без изменений. Внесение минеральных удобрений способствовало восстановлению содержания форм азота в почве по сравнению с контролем, но существенные изменения произошли только в содержании трудногидролизуемой и негидролизуемой формы азота в случае применения органических удобрений на фоне минеральных. Отсюда видно, что загрязнение почвы нефтью отражалось в первую очередь на самых доступных формах азота, которые непосредственно связаны с функционированием микробоценоза и определяют экологическую устойчивость фитоценоза [18]. Повышение активности функционирования бактериального сообщества позволяет избежать длительного негативного воздействия на экосистему, быстрее восстановить биоразнообразие растительного компонента [19] и повысить тем самым устойчивость почвенно-экологических функций на неблагополучной территории.

По содержанию форм азота невозможно оценить актуальную доступность азотсодержащих соединений для зерновых культур в течение вегетационного периода. Более надежную информацию о состоянии фитоценоза можно получить на основе оценки продукционного процесса растений. Исследования показали (табл. 3), что самое большое снижение продуктивности растений наблюдали у овса в первый год проведения опытов, которое достигло для зерновой продукции 3.8 раза и вегетативной массы 3.4 раза. Негативное воздействие поллютанта отразилось также на накоплении общей биомассы и снижение относительно контроля составило 3.6 раза. Внесение минеральных удобрений в дозе N60Р60К60 активизировало фотосинтетические процессы, что привело к возрастанию зерновой продукции, вегетативной и общей биомассы. Однако полностью компенсировать негативное воздействие нефтяного загрязнения не удалось. Использование органических удобрений в сочетании с минеральными позволило существенно повлиять на продуктивность растений овса. Это свидетельствовало о том, что органические удобрения являются мощным фактором в ремедиации почв, подверженных воздействию нефтеносного загрязнения.

На второй год (2010 г.) при выращивании ячменя в результате загрязнения почвы углеводородным поллютантом продуктивность зерна заметно снизилась, однако синтез надземной вегетативной массы за этот же период значительно возрос в 2.1 раза. Это, вероятно, связано с тем, что листовой аппарат и в целом надземная вегетативная масса реагируют на загрязнение почвы нефтью менее остро, чем репродуктивный орган – колос злака. Различия в продуктивности в контрольном варианте были связаны еще и с тем, что изменялись погодные условия, влияющие на азотминерализующую способность почвы [20], от которой во многом зависела активность фотосинтетических процессов. Внесение минеральных удобрений или их сочетания с органическими привело к существенному увеличению урожайности ячменя. Значит, минеральное питание в условиях 2010 г. было фактором, лимитирующим продукционный процесс растений. В дальнейшем при выращивании зерновых культур тенденция к увеличению урожайности сохранилась. Отношение зерновой продукции к вегетативной массе изменялось в небольших пределах, за исключением условий 2010 г., когда значительно снизилась эта величина в варианте с нефтью.

Нефтяное загрязнение почвы и применение удобрений сказалось не только на продуктивности растений, но и на содержании в них азота (табл. 4). Наибольшие изменения произошли в зерне овса в первый год воздействия поллютанта на посев. Меньше всего азота содержалось в репродуктивном органе овса контрольного варианта, самое высокое – в варианте N60P60K60. Внесение органического удобрения в сочетании с минеральными не вызвало повышения аккумуляции этого элемента в зерне овса. В дальнейшем при выращивании ячменя в условиях 2010 г. закономерность в основном сохранилась, хотя контрольный вариант и загрязненный нефтью по содержанию азота в зерне выровнялись. Примерно такая же ситуация в распределении азота по репродуктивным органам сохранилась и в условиях 2011–2013 гг. при выращивании пшеницы, овса и ячменя.

Различия в содержании азота в вегетативных органах были существенно контрастнее. Например, у овса в первый год его возделывания содержание азота в контрольном и загрязненном вариантах отличалось в 4.2 раза. Большие различия отмечали и между другими вариантами, но только в первый год проведения опытов, на второй год различия в содержании азота в вегетативной надземной биомассе оказались значительно меньше. Отсюда видно, что самая сильная токсичность загрязнения нефтью на растения при применении органических и минеральных удобрений проявлялась в первый год и существенно меньше – во второй. В последующем контрастных различий в содержании азота в надземной биомассе не отмечали.

Значительные изменения в содержании азота в биомассе зерновых культур отразились на выносе азота как зерном, так и вегетативными органами. Самые большие отклонения в выносе этого элемента отмечали в первый год проведения опытов между загрязненным вариантом, контролем, вариантами с органическими удобрениями и NPK. Зерновые культуры больше всего усваивали азота при высоком уровне минерального питания, созданным за счет ежегодного внесения экзогенных питательных веществ и почвенных ресурсов. Созданный уровень минерального питания практически полностью удовлетворил потребность растений в азоте. Об этом можно судить по выносу азота в удобренных вариантах, который мало различался. Удельный расход азота на формирование 1 т урожая был несколько больше у пшеницы и заметно меньше у ячменя и овса. На формирование вегетативной массы зерновых культур расходовалось значительно меньше питательных элементов, чем зерновой продукции.

Под влиянием нефти и удобрений изменялись не только вынос макроэлементов надземной биомассой, но и баланс азота удобрений в почве. В контрольном варианте баланс имел отрицательную величину, от интенсивности и направленности которой зависел темп уменьшения плодородия почвы. Нефтяное загрязнение в большей степени стремилось стабилизировать потери азота за счет разложения органических веществ. Внесение N60 в сочетании с фосфором и калием не создало условия для положительного баланса этого элемента. Даже при внесении органических удобрений не удалось стабилизировать баланс азота в почве. Отсюда видно, что загрязнение почвы, если оно сопровождается внесением органических и минеральных удобрений, вызывает усиление синтеза биомассы растений. Поэтому в качестве обязательного агротехнического приема необходимо включать внесение органических и минеральных удобрений при возделывании зерновых культур на техногенно загрязненных почвах. В таких условиях поглощение питательных элементов растениями способствует мобилизации их из почвенных ресурсов и усвоению в течение всего периода вегетации.

Установлено, что применение минеральных удобрений в агроценозах позволило не только повышать урожайность зерновых культур, но и улучшать качество продукции [21]. Однако роль нефтяного загрязнения на фоне применения органических и минеральных удобрений в этом процессе мало изучена. Приведенные нами исследования показали, что качество зерна зависело от биологических особенностей культур, использования удобрений и условий года. Больше всего синтезировалось протеина в зерне пшеницы и ячменя, значительно меньше – овса, особенно в условиях 2009 г. В первый год загрязнения почвы нефтью характер накопления белка в семенах сильно отличался от последующих лет (рис. 2). Накопление белка в зерне овса, выращенного в этот период при загрязнении почвы нефтью, отличалось по сравнению с другими вариантами в 3.0–3.9 раза. Заметным было снижение накопления белка и на второй год. В дальнейшем при выращивании пшеницы и овса (2011–2012 гг.) наблюдали даже некоторую активизацию синтеза белка в зерновой продукции. В целом отмечен циклический характер накопления белка в товарной продукции, что, вероятно, связано не только с токсичостью нефтяного загрязнения, но и с различной активностью и направленностью процессов минерализации–иммобилизации азота в гетеротрофном азотном цикле в связи с меняющимся поведением растений и микробоценоза в загрязненной почве.

Рис. 2.

Влияние нефти и удобрений на накопление белка в зерне злаков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования показали, что загрязнение серой лесной почвы нефтью при внесении органических и минеральных удобрений уже на второй год активизирует микробиологические процессы, приводящие к повышенному накоплению нитратного азота, улучшению физиологического состояния растений, активизации ростовых процессов и более значительному накоплению биомассы зерновых культур. От складывающихся условий года зависело содержание минерального азота в почве и потребление его растениями в течении вегетационного периода. Меньше всего накапливалось в почве в конце вегетационного периода аммонийной формы азота, хотя и варьировало в значительных пределах. Нитратный азот, несмотря на то, что он легко усваивается корневой системой растений, в период уборки присутствовал относительно аммонийного азота в повышенном количестве. Весьма низкое содержание нитратного азота в период уборки отмечено в первый год проведения опытов. В дальнейшем нефтяная токсичность ослабевала и накопление этой формы азота выравнивалось между вариантами. Загрязнение почвы нефтью влияло не только на самые доступные растениям формы азота, но и на органические. Содержание легкогидролизуемого азота снижалось при нефтяном загрязнении, трудногидролизуемого и негидролиземого, напротив, заметно повышалось. Изменения в азотном режиме приводили к соответствующему отклику растений в процессе формировании урожая и его качества. При загрязнении нефтью серой лесной почвы на уровне 2 т/га заметно сказывались изменения в накоплении биомассы, содержании и выносе азота в течение 2-х лет, особенно в первый год проведения исследования. На качество зерна также влияло нефтяное загрязнение, которое следует учитывать при проведении ремедиационных работ в агроценозах Западной Сибири.